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 проекта 21-74-20121
Название"Временная капсула" библиотеки шлифов: динамика структуры, физических свойств и процессов в почвах России за последние 60 лет на основе стохастических реконструкций и машинного обучения по данным компьютерной томографии и малоуглового рассеяния
Руководитель Лебедева Марина Павловна, Доктор сельскохозяйственных наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр "Почвенный институт имени В.В. Докучаева" , г Москва
Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-108 - Почвоведение
Ключевые слова почвенные шлифы, стохастические реконструкции, малоугловое рассеяние, морфология почв, GAN-нейронные сети, машинное обучение, моделирование в масштабе пор, цифровая обработка изображений, рентгеновская микротомография, динамика структуры
Код ГРНТИ29.19.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Общее изменение климата сказывается на сельскохозяйственных условиях и экономической активности во всех климатических зонах России, особенно в средней полосе и южных районах. При этом изменения климата неминуемо ведут к изменению структуры и физических свойств почв. Так, территории южных и засушливых районов чувствительны к климатическим изменениям, поэтому приковывают пристальное внимание Организации объединенных наций (FAO), Европейской комиссии и Международной земельной коалиции (Всемирный обзор земельных ресурсов, 2017). Климатические прогнозы с высоким разрешением, полученные с период с 1975 до конца XXI века, свидетельствуют об увеличении засушливых районов на 7% от общей площади суши к 2100 году в условиях сохранения современной динамики колебания климата. Прогнозирование и эффективное управление почвенными ресурсами России в условиях активного изменения климатических условий невозможно без детального понимания отклика почвы на изменения за последние 50-100 лет.
В Почвенном Институте накоплен уникальный материал – почвенные шлифы (плоские тонкие (толщиной 30 микрон) параллельные срезы почвы, закрепленные смолой) из нескольких климатических зон, где почвенные наблюдения, отбор образцов проходил в одних и тех же точках за последние 70 лет. Современные технологии компьютерного анализа изображений, малоуглового рассеяния и стохастических реконструкций, рентгеновской томографии, моделирования в масштабе пор и машинного обучения позволяют на основе этого материала восстановить трехмерную структуру почв и рассчитать их физические характеристики, на количественном уровне определить изменение микросложения почв. Это позволит изучить динамику почвенного строения и свойств за последнее столетие на качественно новом уровне и буквально заглянуть в прошлое.
Актуальность проблемы проекта также обусловлена тем что уже существующие прогнозы и модели изменения природных условий во многих случаях не совпадают, а иногда и противоречат друг другу, в частности из-за недостаточного учета изменения почвенного покрова – живой кожи планеты, или учета лишь результатов, полученных отдельными методами. Следовательно, необходимы дальнейшие усилия для получения фундамента достоверной объемной масштабируемой модели микростроения и структуры почв построенной с применением искусственного интеллекта и учитывающей информацию о механизмах климатически и антропогенно обусловленных изменений почв в ближайшем прошлом, настоящем и будущем, на что и направлен предлагаемый проект.
Основная цель Проекта: oткрыть «временную капсулу» собранных за последние 60 лет почвенных шлифов и на основе стохастических реконструкций, машинного обучения и моделирования в масштабе пор определить динамику изменения структуры и физических свойств в комплексе с классическими описаниями элементов микростроения зонального ряда почв на Европейской территории России. Это позволит выявить влияние климатических параметров на почвенные функции и заложить прочный фундамент прогнозирования изменений почв России в условиях меняющегося климата.
Для достижения основной цели планируется решить целый круг фундаментальных и прикладных задач, среди которых:
- Идея извлечения «временной капсулы» шлифов за последние 60 лет за счет использования связки стохастических реконструкций на основе шлифов и МУР-измерений, и моделирования в масштабе пор;
- Количественная оценка изменения диагностических элементов микро- наностроения в пространстве и во времени на основе шлифов и их КТ и МУР измерений;
- Исследование динамики наноструктуры почв в шлифах с помощью МУР за счет «вычитания» сигнала наполнителя пор;
- Эксперимент с исследованием возможных изменений микро- и наноструктуры почвы при изготовлении шлифов;
- Внедрение систематического применения МУР-измерений для описания динамики нано-пористости в почвах и их интеграции в цифровую модель почвы при моделировании физических свойств.
Для достижения пославленных в Проекте целей необходимо использование синхротронного излучения ОИ КИСИ, так как это позволит исследовать временную динамику нано-структуры почвы в шлифах, что практически невозможно сделать любым другим из существующих методов.
Масштаб и комплексность Проекта подчеркиваются использованием подходов классического морфологического описания почв (от микро- до субмикро-строения), количественной оценки профилеформирующих процессов (по шлифам) и самых последних разработок в физике конденсированного состояния (стохастические реконструкции и МУР), обработке изображений, машинном обучении, и моделировании в масштабе пор. При этом Проект включает в себя полевые, лабораторные и численные исследования, которые логично объединяют современные технологические решения и уникальные бесценные артефакты прошлого – библиотеку шлифов родом из СССР.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Лебедева М.П., Романис Т.В., Варламов Е.Б., Чурилин Н.А., Макеев А. Influence of the composition and properties of Khvalynsk deposits on the evolution of soils and soil cover in the north-western part of the Caspian Lowland (based on the results of mineralogical and micromorphological studies) 2nd INTERNATIONAL and 4th NATIONAL Conference on Quaternary Sciences, 2nd International Conference on Quaternary Sciences. September 5-7, 2021. Gorgan, Iran. Pp. 84-85. (год публикации - 2021)
2. Лебедева М.П., Плотникова О.О., Варламов Е.Б., Чурилин Н.А., Романис Т.В. Влияние состава и свойств хвалынских отложений на эволюцию почв и почвенного покрова Волго-Уральского междуречья (по результатам минералого-микроморфологических исследований) Пути эволюционной географии, Вып. 2. С. 527-530. (год публикации - 2021)
3.
Лебедева М., Романис Т., Плотникова О., Чурилин Н.
Soil fabric of dry-steppe solonetz complexes of the Caspian lowland under conditions of changing climate
GSA Connects 2021, Paper No. 17-10 (год публикации - 2021)
10.1130/abs/2021AM-366315
4. Плотникова О.О., Куст П.Г., Романис Т.В. Количественный анализ в микроморфологии: визуализация основных элементов микростроения в архивных шлифах (Джаныбекский стационар) Почвоведение: Горизонты будущего. 2021, C.116-117 (год публикации - 2021)
Публикации
1.
Романис Т., Лебедева М., Колесников А., Сапанов М., Сиземская М.
A dataset of soil microstructure features and the weather conditions affecting them from 2005 to 2021 in the Caspian Depression
Data in Brief, Data in Brief 41 (2022) 2352-3409/© 2022 The Author(s). Published by Elsevier Inc. This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) (год публикации - 2022)
10.1016/j.dib.2022.107957
2.
Мусаэлян Р.Э., Лебедева М.П., Ростовцева Ю.В., Варламов Е.Б.
ЛИТОЛОГО-МИНЕРАЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НИЖНЕХВАЛЫНСКИХ ШОКОЛАДНЫХ ГЛИН НИЖНЕЙ ВОЛГИ (НА ПРИМЕРЕ РАЗРЕЗОВ РАЙГОРОД И СРЕДНЯЯ АХТУБА)
ГЕОМОРФОЛОГИЯ, том 53, № 3, с. 96–106 (год публикации - 2022)
10.31857/S0435428122030105
3.
Лебедева М.П., Плотникова О.О., Чурилин Н.А., Романис Т.В., Шишков В.А.
Влияние состава и свойств хвалынских отложений на эволюцию почв Волго-Уральского междуречья (по результатам минералогических и микроморфологических исследований)
ГЕОМОРФОЛОГИЯ, том 53, № 5, с. 48–59 (год публикации - 2022)
10.31857/S0435428122050091
4. Лебедева М.П., Мусаэлян Р.Э., Романис Т.В., Варламов Е.Б., Макеев А.О. МИНЕРАЛОГО-МИКРОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЭВОЛЮЦИИ ПОЧВ СУХОСТЕПНЫХ КОМПЛЕКСОВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ПРИКАСПИЙСКОЙ НИЗМЕННОСТИ Динамика экосистем в голоцене. Сборник статей по материалам всероссийской научной конференции, Санкт-Петербург, 17–21 октября 2022 года / отв. ред. Д. А. Субетто. — Санкт-Петербург : Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 262-266 с. (год публикации - 2022)
5. Мусаэлян Р.Э., Лебедева М.П., Варламов Е.Б. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НИЖНЕХВАЛЫНСКИХ ШОКОЛАДНЫХ ГЛИН НА ПОЧВООБРАЗОВАНИЕ В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ПРИКАСПИЙСКОЙ НИЗМЕННОСТИ Динамика экосистем в голоцене. Сборник статей по материалам всероссийской научной конференции, Санкт-Петербург, 17–21 октября 2022 года / отв. ред. Д. А. Субетто. — Санкт-Петербург : Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2022., С. 284-288 (год публикации - 2022)
Публикации
1.
Плотникова О.О., Лебедева М.П., Колесников А.В., Каганова А.В., Комкова Д.С.
A dataset of microstructure features and physicochemical properties of soils of the solonetzic complex in 2022 (Caspian lowland)
Data in Brief, Data Brief 50, 2023, 109493. 2352-3409/© 2023 The Author(s). Published by Elsevier Inc. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ) (год публикации - 2023)
10.1016/j.dib.2023.109493
2.
Плотникова О.О., Лебедева М.П., Цымбарович П.Р., Девятых В.А.
A dataset of soil microstructure features and physicochemical properties for 1968 and climate sequence for 1951-1992 in the caspian lowland
Data in Brief, Data Brief 46, 2023, 08909. 2352-3409 © 2023 The Author(s). Published by Elsevier Inc. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license ( http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ) (год публикации - 2023)
10.1016/j.dib.2023.108909
3.
Плотникова О.О., Лебедева М.П., Цымбарович П.Р., Девятых А.В.
Микроморфологическая характеристика почв солонцового комплекса (Джаныбекская равнина).
Почвоведение, Почвоведение, (3):380–392, 2023. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-71359. (год публикации - 2023)
10.31857/S0032180X22601128
4. Мусаэлян Р.Э. Связь между данными малоуглового рентгеновского рассеяния и рентгеновской дифракции при определении минерального состава солонца (Джаныбекский стационар) ИГЕМ РАН Москва ИПЦ "ПОЛИТЕХ-ПРЕСС", Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 30-32 с. © Российская группа по глинам и глинистым минералам, 2023 (год публикации - 2023)
5. Лебедева М.П., Варламов Е.Б., Чурилин Н.А., Лебедев М.А. Минеролого-микроморфологическая диагностика эволюции почв сухостепных комплексов на джаныбекской бессточной равнине ИГЕМ РАН Москва ИПЦ "ПОЛИТЕХ-ПРЕСС", Глины и глинистые минералы - 2023. VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023 г. Материалы докладов. М.: ИГЕМ РАН, 2023. 30-32 с. © Российская группа по глинам и глинистым минералам, 2023 (год публикации - 2023)
6. Лебедева М.П, Макеев А.О, Курбанов Р., Мусаэлян Р.Э., Варламов Е.Б. Особенности голоценового лессонакопления и почвообразования в Нижнем Поволжье Москва, Издательство «Перо», Всероссийская конференция «Каспий в плейстоцене и голоцене: эволюция природной среды и человек» Волгоград-Астрахань 18-24 сентября 2023 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На этапе 2024 года для образцов разных лет отбора достигнуты результаты по оценке изменения свойств почв на фоне современного изменения климата в сухостепной (ключ «Джаныбек») и степной (ключ «Каменная степь») зонах. Проведенное изучение климатических трендов для данных ключевых участков за 100-120-летний период позволяет говорить, что глобальное изменение климата затронуло оба ключевых участка и проявляется на них схожим образом. Общим трендом для них является гумидизация климата. На участке «Каменная степь» этот тренд более выражен, однако он затрагивает в основном холодный период года, что привело к усилению прежде всего абиотических почвообразовательных процессов – глинисто-иллювиального и оглеения. На территории Джаныбекского стационара, наоборот, более важным для изменения свойств почв оказалось увеличение количества осадков теплого периода, что в условиях общего многолетнего недостатка влаги привело к усилению как абиотических, так и биотических почвообразовательных процессов – на фоне усиления гумусово-аккумулятивного процесса отмечено поднятие уровня карбонатных и гипсовых новообразований для солонцов. На основе применения стохастических корреляционных функций, методов альфа-форм и квадратов для солонцов на ключе «Джаныбек» было проведено сравнение основных диагностических горизонтов (SEL, BSN, BCA) в интервале за 9 лет его функционирования (разрезы 02-15МП и Джан-2-МПЛ-24). В результате были выявлены существенные различия порового пространства. Этот вывод полностью согласуется с математической моделью, построенной по данным КТ, 2D панорам и ОГХ, а также согласуется с гипотезой о гумидизации климата.
Полученные микроморфологические результаты по изучению почв солонцовых комплексов ключа «Джаныбек» показали, что ряд микропризнаков (ооиды) в нижних горизонтах (глубже 50 см) являются реликтовыми, что подтверждается позднеплейстоценовым возрастом лессовидных отложений. Впервые полученные даты современным OSL методом свидетельствуют о накоплении лессовидных суглинков в нижних слоях в эпоху деградации осташковского оледенения на Русской равнине. Полученные результаты по сравнению временных изменений устойчивых микропризнаков позволяют предполагать, что микроструктуры в солонцовых или срединных горизонтах каштановых и лугово-каштановых почв перестраиваются в течение первых десятилетий, тогда как тонкодисперсное вещество основной массы более консервативно.
В степной зоне (ключ “Каменная степь”) проведен сравнительный анализ микропризнаков для выявления климатообусловленных трендов эволюции черноземов в хронорядах 1958-2022 гг., 1989-2022 гг., 1989-1999-2022 гг. Хроноряды исследованы в разновозрастных лесополосах №№ 34, 40 и 211. Результаты этих сравнений представлены в статье, которая проходит рецензирование. Для шлифов черноземов 1958, 1989, 1999 гг. отбора проведен сравнительный анализ микроморфологических свойств, что позволило использовать их как исходную точку для сравнений с современными почвами в этих лесополосах. Была так же учтена высокая неоднородность СПП, связанная с разной литологией, микрорельефом, типом землепользования. При сравнении хроноряда с почвами 2022г. отбора под разновозрастными лесополосами был сделан вывод, что в связи с длительным нахождением почв под лесной растительностью основные изменения произошли в глинистом профиле и агрегатном состоянии почв.
Хроноряды пахотных почв и солонцов Каменной степи, рассмотренные в диапазоне 25 лет, позволили определить классификационную принадлежность почв, обосновать проведение их сравнения с современными подтипами черноземов. Было выяснено, что содержание гумуса в горизонтах AU, особенности его микростроения (характер агрегированности и тип растительных остатков), а также выраженность глинистых кутан позволяют выявить полихронность почв. На фоне выявленных особенностей почвообразующих пород сравнение на микроуровне целинных и агрогенных почв с разным типом землепользования актуально для выявления устойчивых эволюционных трендов как черноземов, так и почв сухостепных солонцовых комплексов.
Итогом обобщения результатов проекта служит открытая для доступа база данных (https://rnf21-74-20121.esoil.ru/), которая содержит исходные данные проекта для автоматического запуска алгоритмов моделирования вместе с результатами моделирования. В данный момент разрабатывается веб сервис для анализа почвенной структуры по микроскопическим изображениям со следующим функционалом: автоматизированная сегментация микроскопических изображений почвенных шлифов, снятых с параллельными и скрещенными николями на поровое пространство и твердую фазу; моделирование ОГХ почвы и распределения пор по размеру из сегментированного изображения; моделирование ОГХ из томографического изображения методом альфа-форм.
Публикации
1.
Мусаэлян Р.Э., Абросимов К.Н., Романенко К.А.
Effect of Different Synthetic Resins on Soil Nano- and Microstructure
Pleiades Publishing, Ltd., Vol. 57, No. 6, pp. 969–980 (год публикации - 2024)
10.1134/S1064229324600167
2.
Владимиров А.А., Абросимов К.Н., Васильев Т.А., Васильева Н.А.
Application of Geometric α-Shapes to Analyze Soil Pore Space Using Microtomograms
Pleiades Publishing, Ltd., Vol. 57, No. 12, pp. 2081–2092. © Pleiades Publishing, Ltd., 2024. (год публикации - 2024)
10.1134/S1064229324602269
3.
Плотникова О.О., Лебедева М.П., Колесников А.В., Каганова А.Е., Цымбарович П.Р., Комкова Д.С.
How Were Chestnut Soils of the Dzhanybek Plain Transformed as a Result of Climate Change?
Pleiades Publishing, Ltd., Vol. 57, No. 12, pp. 2153–2166. © Pleiades Publishing, Ltd., 2024. (год публикации - 2024)
10.1134/S1064229324602336
4.
Лебедева М.П, Плотникова О.О., Романис Т.В., Лебедев М.А.
Микроморфологическая диагностика эволюции сухостепных солонцовых комплексов Волго-Уральского междуречья
МАКС-Пресс, Почвы – опора России : тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Казань, 12–16 августа 2024 г.). / Отв. ред.: П.В. Красильников, Н.О. Ковалева, Е.М. Столпникова. – Москва : МАКС Пресс. 2024. 930 с. (год публикации - 2024)
10.29003/m4310.978-5-317-07309-1
5.
Мусаэлян Р.Э.
Изучение воздействия синтетических смол на нано- и микроструктуру почвы
МАКС-Пресс, Почвы – опора России : тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Казань, 12–16 августа 2024 г.). / Отв. ред.: П.В. Красильников, Н.О. Ковалева, Е.М. Столпникова. – Москва : МАКС Пресс. 2024. 930 с. (год публикации - 2024)
10.29003/m4310.978-5-317-07309-1
6. Лебедева М.П., Мусаэлян Р.Э., Чурилин Н.А., Макеев А.О. Особенности позднеплейстоценового лессонакопления и почвообразования в Прикаспийской низменности ИФХиБПП РАН, Пущино, Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 120-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР В.А. Ковды, место издания ИФХиБПП РАН Пущино, тезисы, с. 76-78 (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы для разработки новых технологий в области почвоведения, включая методы анализа и мониторинга почв, а также технологии восстановления почв. Созданная база данных и разрабатываемый веб-сервис для анализа почвенной структуры могут быть использованы предприятиями для получения оперативной информации о состоянии почв и разработки стратегий их управления. Улучшение состояния почв и повышение устойчивости сельского хозяйства могут способствовать социальному развитию регионов, зависящих от сельского хозяйства, улучшая условия жизни и обеспечивая стабильное снабжение продовольствием.