Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Среди высокого разнообразия городских почв почвенные конструкции (конструктоземы) представляют особый интерес для экологической оценки и моделирования, поскольку их строение, свойства и функции практически полностью определяются антропогенным фактором – выбором субстратов, последовательности по мощности слоев, типом растительности. На ранних стадиях развития в почвенных конструкциях с высокой интенсивностью происходят процессы почвообразования, в первую очередь депонирования и минерализации органического углерода. Соотношение этих процессов зависит от свойств субстратов (почвогрунтов и их компонентов) и климатических условий и в свою очередь определяет баланс углерода в экосистеме. Исследования почвенных конструкций в Москве в 2017-2020 гг. показали, что для вариантов изученных конструкций экосистемы оставались источником углерода, т.е. равновесное состояние не было достигнуто. Исследования в рамках № 17-77-20046 (продление) должны ответить на два фундаментальных вопроса: 1) какое время требуется для достижения устойчивого функционирования (равновесного состояния) экосистем конструктоземов; и 2) как отличаются условия устойчивого функционирования почвенных конструкций в различных регионах (биоклиматических зонах). Для ответа на эти вопросы в трех городах, отличающихся по размеру, климату и социально-экономическим условиям – Апатиты, Москва и Ростов-на-Дону, - были заложены стационары для наблюдения функционирования почвенных конструкций, начиная с момента создания. Для выбора субстратов с учетом региональной специфики был проведен обзор условий и лимитирующих факторов устойчивого функционирования почвенных конструкций в исследуемых регионах. Для г. Апатиты лимитирующими факторами были холодный климат, высокая антропогенная нагрузка и низкое плодородие фоновых почв. В Ростове-на-Дону, наоборот, высокое плодородие фоновых почв практически исключило необходимость использования торфа для создания почвенных конструкций, вместо него используется «срезка» верхнего слоя черноземных почв. Лимитирующим фактором для региона является дефицит осадков в летний период, в связи с чем на стационаре была создана система автоматической ирригации. Для г. Москва характерны более благоприятные климатические условия для развития газонных экосистем на конструктоземах по сравнению с другими стационарами. При этом основную часть почвогрунтов составляют торфо-песчаные смеси на основе низинного торфа. Еще одним фактором является тип травянистой растительности и мероприятия по уходу. В частности, культурные газоны с регулярным уходом могут принципиально отличаться от заброшенных участков с доминированием рудеральной растительности, при этом экологические функции последних остаются фактически не изученными. Исходя из выявленных особенностей на стационарах были заложены экспериментальные площадки (от 18 на Северном до 27 на Московском) для анализа влияния выявленных региональных факторов на устойчивость функционирования почвенных конструкций. Дополнительно были заложены по 3 площадки аналогичных для всех стационаров (универсальных) конструкций для наблюдения воздействия биоклиматического фактора на динамику развития конструктоземов. Анализ свойств субстратов ожидаемо показал максимальное содержание углерода в низинном торфе (>30%), что в 5-6 раз превосходило все остальные субстраты. При этом по соотношению С/N, которое традиционное используется для характеристики качества органического вещества, оптимальные значения (от 10 до 20) показаны для верхних горизонтов фоновых почв. Показатель pHH2O закономерно увеличивался от Апатит к Ростову-на-Дону, хотя тенденция была заметно менее выражена по сравнению с зональными почвами исследуемых регионов. Содержание тяжелых металлов в субстратах в основном находилось в пределах ОДК. Исключение составили отходы горнодобывающей промышленности, концентрация Ni в которых превысила ОДК более, чем в 3 раза (до 250 мг кг-1). По основной гидрофизической характеристике субстраты четко подразделяются на три категории: торфа, фоновые почвы, отходы и суглинистый грунт, и все остальные грунты, преимущественная включающие смеси. Полная влагоемкость для торфов достигала 200%, в то время как для смесей не достигала и 40%. Для всех субстратов показан экспоненциальный прирост базального дыхания с максимальными значениями при температуре 30-40°С и диапазоне влажности от НВ до ПВ. Для смесей температурная чувствительность базального дыхания была значимо выше (время полуразложения, соответственно, ниже), чем для фоновых почв, что может свидетельствовать о повышенных рисках эмиссии СО2 особенно в жаркую погоду и в условиях оптимальной влажности (например, от полива). Начиная с сентября 2020 года, на всех стационарах проводили мониторинг следующих параметров функционирования почвенных конструкций: 1) температура и влажность почвы (CheckTеmp и iButton DS-1923 (температура) и deltaT SM-150 (влажность)); 2) почвенная эмиссия СО2 (ИК газоанализаторы, для отдельных точек дополненные отбором проб почвенного воздуха в виалы с дальнейшим анализом на газовом хроматографе); 3) запас углерода в почве и биомассе (укосы и отбор проб с дальнейшим анализом на CN анализаторе); 4) (наземные биометрические измерения и дистанционные методы на основании снимков БПЛА). За период август 2020 – апрель 2021 самые низкие температуры воздуха зафиксированы в г. Апатиты в январе (до - 20°С), самые высокие – ожидаемо в Ростове-на-Дону (температура практически не опускалась ниже +5°С зимой, а в сентябре достигала +25°С). В Москве температура была в среднем на 3-5°С ниже, чем в Ростове-на-Дону. Различия гидротермических условий стали основным фактором, определившим как суммарные почвенные эмиссии СО2, так и временные тренды. Так, для Ростова-на-Дону показано постепенное снижение эмиссии СО2 с 0.33±0.04 мг∙С м-2∙ч-1 в сентябре до 0.19±0.04 мг∙С м-2∙ч-1 в ноябре с дальнейшим повышением до 0.45±0.06 мг∙С м-2∙ч-1 в марте. Для Москвы показан аналогичный тренд, но абсолютные значения были на 50% ниже осенью и в 4 раза ниже в зимний период. Эмиссия СО2 почвами Северного стационара не превышала 0.10 мг∙С м-2∙ч-1, начиная с октября (при средних температурах воздуха около нуля) и сохранялась в диапазоне 0.05-0.10 м-2∙ч-1 в течение всего осенне-зимнего периода. Неожиданный всплеск отмечен в конце марта, когда поток в среднем достигал 0.65 мг∙С м-2∙ч-1, что, по-видимому, объясняется резким потеплением (с -13 до 0°С) и высвобождением части СО2 из снега и льда в процессе оттаивания. Различные климатические условия проявились в разном вкладе сезонов в общую эмиссию СО2. В частности, зимний период (который многими российскими исследованиями игнорируется) в Ростове-на-Дону составил почти половину от общей эмиссии за период наблюдений, а для Москвы и Апатит вклад зимнего дыхания составил 25-30%. Если различия эмиссии СО2 между стационарами в основном определялись климатическими условиями, то различия между конструкциями внутри стационара зависели от свойств конструкций и, в первую очередь, запасов углерода в почве и биомассе. На Северном стационаре самые большие запасы углерода в почве показаны для универсальной смеси с двойной нормой высева газонных трав. На Южном стационаре максимальный запас показан для универсальной смеси (~3 кг С м-2, также как и для Северного стационара). На Московском стационаре сравнение усложняется наличием конструкций разного возраста. Среди новых конструкций максимальные значения показаны для универсальной смеси (~ 4 кг С м-2). При сопоставлении аналогичных конструкций разного возраста, изученных на Московском стационаре и в ГК «Сколково», запасы углерода в почве уменьшаются в следующей последовательности: конструкции возраста 2 года > конструкции возраста 3 месяца > конструкции возраста 9 лет. Запасы углерода в биомассе на Северном стационаре, накопленные в августе-сентябре, варьировали от 30 г С м-2 (газон со стандартной нормой высева на торфо-песчаной смеси) до 67 г С м-2 (газон на основе технологии этилированных проростков на универсальной смеси). Для Москвы укосы проводились только в сентябре и максимальные запасы, показанные для универсальной смеси, составили 20 г С м-2. В Ростове-на-Дону также максимальная биомассы была получена для универсальной смеси, за период с сентября по ноябрь она составили более 52 г С м-2. Проективное покрытие газонного травостоя имело сомкнуто-диффузный характер и было максимальным (100%) на всех экспериментальных стационарах. общая максимальная оценка качества травостоя по шкале А.А. Лаптева составляла 30 баллов на всех стационарах, что соответствует высшему качеству газонных травостоев, сформированных на универсальных почвосмесях. Данные по запасам углерода в почве, чистой первичной продукции (притока углерода с биомассой) и эмиссии углерода с почвенным дыханием, обобщенные для универсальных конструкций трех стационаров, подтверждают, что за первые полгода ни одна из газонных экосистем не достигла равновесия, а отрицательный баланс варьировал от -80 г С м-2 для Северного стационара до более 500 г С м-2 для Южного. Результаты исследований представлены в докладе генеральной ассамблеи Европейского общества Наук о Земле EGU-2021. По результатам работ опубликовано или принято в печать 6 статей, в том числе 3 статьи в журналах Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Баланс углерода в почвенных конструкциях очень динамичен, особенно на ранних стадиях после создания, и во многом определяется технологией почвенного конструирования. Технологии почвенного конструирования очень разнообразны, выбор субстратов во многом определяется региональными условиями – доступностью и сложившейся практикой. Исследования второго (и заключительного) этапа проекта должно ответить на два фундаментальных вопроса: 1) какое время требуется для достижения устойчивого функционирования (равновесного состояния) экосистем конструктоземов; и 2) как отличаются условия устойчивого функционирования почвенных конструкций в различных регионах (биоклиматических зонах). Для ответа на эти вопросы были продолжены мониторинговые исследования в трех городах, расположенных в различных биоклиматических зонах. Мониторинг эмиссии СО2, температуры и влажности почвенных конструкций проводили на созданных стационарах в городах Апатиты, Москва и Ростов-на-Дону круглогодично, при этом периодичность измерения и количество точек отличалось для вегетационного и зимнего сезона. С учетом различных климатических условий продолжительность вегетационного сезона варьировала от 4 месяцев в Апатитах до 9 месяцев в Ростове-на-Дону. Депонирование углерода в наземной биомассе определяли регулярными укосами. Корневую биомассу отбирали один раз в конце сезона, вымачивали и отмывали водой от почвы, чтобы избежать повреждения тонких корней, высушивали и взвешивали. Годовое депонирование углерода в биомассе для каждой площадки определяли как сумму укосов наземной биомассы и корней. Запасы углерода в почве определяли дважды в сезон – весной и осенью. Годовой баланс углерода оценивали по соотношению входящих (поступление с биомассой) и исходящих (микробная эмиссия СО2) потоков углерода, при этом микробную эмиссию СО2 рассчитывали как 50% от общей измеряемой эмиссии, исходя их собственных экспериментальных и литературных данных по соотношению корневой и микробной эмиссии для травянистых фитоценозов. Полученные экспериментальные результаты были использованы как входящие данные для модели, что позволили получить среднесрочный прогноз изменения баланса углерода почвенных конструкций. Для прогноза изменений запасов в пулах углерода и азота и потоков минерализации данных элементов в разных вариантах почвенных конструкций использовалась модель динамики органического вещества почвы Romul_Hum. Прогнозные значения запасов углерода в почве были сопоставлены с экспериментальными данными, полученными для конструкций разного возраста (с момента создания до 20 лет). Оценки баланса углерода (газовая функция) вместе с биометрической оценкой (продукционная функция) и моделированием потоков воды (гидрологическая функция) были использованы для сравнения технологий почвенного конструирования как между регионами, так и внутри регионов. Для оценки продукционной функции травостой разбирали на отдельные экземпляры, корни и корневища отделяли с дальнейшим получением таких биометрических показателей, как плотность сложения (шт./м2) и масса корней (г/м2). Результаты биометрической оценки сопоставляли на каждом участке сопоставляли с оценкой площади проективного покрытия и базовыми вегетационными индексами в течение сезона. Моделирование потоков воды проводили с использованием модели HYDRUS-1D. Основные параметры для параметризации модели – основная гидрофизическая характеристика и коэффициенты фильтрации были определены экспериментально. Соотношение суммарного прироста биомассы (в пересчете на углерод) и суммарной эмиссии (в пересчете на микробный компонент) позволяют охарактеризовать баланс углерода в экосистеме. В Апатитах все вариант оказались стоком углерода, что обусловлено невысокими значениями эмиссии при высокой интенсивности прироста биомассы, особенно корневой. В Москве при схожих показателях прироста биомассы, эмиссия была в несколько раз выше, соответственно все варианты почвенных конструкций были источником углерода – от 300 г (K) до более 1 кг (С1 и С3). Наиболее интересная ситуация показан для Ростова-на-Дону, где половина конструкций были источником, а вторая половина стоком. Конструкции, содержащие торф, теряли от 160 до 450 г в год, в конструкции на основе срезки – депонировали от 350 до 600 г С в год. Наиболее оптимальным вариантов оказалась сложная конструкция, в которой 15 см срезки маскируются 5 см песка – при минимальной эмиссии для нее показан максимальный прирост биомассы. Результаты моделирования углеродного баланса ожидаемо показали, что в большинстве почвенных конструкций при сценарии с изъятием укосов надземной фитомассы происходила потеря углерода и азота, а при сценарии с оставлением фитомассы – накопление данных элементов в мортмассе. Наибольшее относительное накопление и наименьшие потери отмечены для стационара в Апатитах, наибольшие – для стационара в Москве. Интересные результаты получаются при сопоставлении прогнозов модели и сравнительном анализе запасов углерода в почвенных конструкциях разного возраста. И для Апатитов, и для Ростова-на-Дону показаны схожие закономерности – резкие колебания в первый год после создания, заметный прирост на 5-8-й годы и постепенное снижение со стабилизацией на уровне значений на 10-20% превышающих исходное. Моделирование потоков воды показало, что в Ростове-на-Дону для конструкций 1, 2, 6 и 7 поливная вода распределяется между слоями менее чем за сутки (для конструкции 7 – за 5 часов), при этом объемная влажность на глубине 20 см в 2-5 раз выше, чем на глубине 2 см и в 2-3 раза выше, чем на глубине 10 см. Для вариантов 3, 4, 5 и 8 перераспределение воды шло гораздо медленнее (до 10 суток), и максимальная объемная влажность установилась на глубине 10 см. Наиболее оптимальный вариант по запасам доступной влаги – конструкция 3 (площадка 3.1) и конструкция 4 (все 3 площадки). Интересно, что именно для конструкции 4 показаны и максимальная биомасса, и максимальная расчетный чистый экосистемный обмен – экосистема депонировала 640 г С м-2 в год, что является максимальным результатом не только для Ростова-на-Дону, но и для всех трех стационаров. Для Москвы наиболее интенсивное промачивание на все глубину показано для конструкции K2 (клевер на универсальной смеси) и УС (газонная смесь на универсальной смеси). Для участка с рудеральной растительностью (РУД) поливная вода менее, чем за сутки, доходила до отметки 10 см, но дальше практически не просачивалась, приводя к локальному подтоплению (что было заметно после полива даже визуально). Наиболее постепенной просачивание и максимальные запасы влаги показаны для конструкции С4 (верховой торф / песок / срезка 20:10:70). Результаты исследований представлены на симпозиуме по изучению городских почв в Нью-Йорке, съезде общества почвоведов им. В.В. Докучаева и круглом столе «Углеродная нейтральность России: проблемы и возможности» (все он-лайн), а также в различных материалах региональных и федеральных СМИ. По результатам работ опубликовано 4 статьи, в том числе 2 статьи в журналах Q1.