Полимасштабные оценки эрозионно-аккумулятивных процессов и рисков деградации почв на Среднерусской возвышенности

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 22-17-00071

НазваниеПолимасштабные оценки эрозионно-аккумулятивных процессов и рисков деградации почв на Среднерусской возвышенности

Руководитель Жидкин Андрей Петрович, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный исследовательский центр "Почвенный институт имени В.В. Докучаева" , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Эрозия почв, смыв, аккумуляция, WATEM/SEDEM, магнитный трассер, радиоцезиевый метод, верификация модели, эрозионный потенциал рельефа, эродируемость почвы, изменение климата, генерализация карт, агротехнологии, чернозём.

Код ГРНТИ68.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение эрозии почв – самого сильного процесса деградации почвенного покрова (Montanarella et al., 2016). Несмотря на всеобщее понимание проблемы эрозии почв, количественные оценки интенсивности этих процессов в России на мелкомасштабном уровне единичные; на среднемасштабном уровне – отсутствуют; на крупномасштабном – не систематизированы, труднодоступны и имеют незначительный пространственный охват по сравнению с площадью земель, подверженных эрозии. Дефицит количественных оценок приводит к игнорированию учёта эрозии почв, либо к сомнительным экспертным заключениям, что затрудняет развитие смежных научных дисциплин и приводит к планомерному ухудшению окружающей среды. В проекте поставлены две группы задач: Первая группа задач связана с изучением интенсивности и пространственных особенностей протекания эрозионно-аккумулятивных процессов на разных уровнях организации природно-территориальных комплексов. Данная задача в значительной степени новаторская и требует применения новых подходов к комплексной оценке эрозионно-аккумулятивных процессов, картографированию, систематизации и обработке информации об эрозии почв, полученной на основе разных методов при разном масштабе исследований. Связующим подходом в изучении эрозии почв станет математическое эрозионное моделирование, которое будет использовано на всех масштабных уровнях от отдельно взятых склонов до Среднерусской возвышенности в целом. Традиционные полевые оценки эрозии почв будут проведены на основе методов: почвенно-морфологического, магнитного трассера, радиоцезиевого и натурных наблюдений. Сопоставление темпов эрозионно-аккумулятивных процессов, полученных на основе использования различных полевых методов, позволит откалибровать входные параметры эрозионных моделей, а также оценить их точность и ограничения. Применение методов математического моделирования будет основано на комплексном учёте различных компонентов ландшафтов: рельефа, климата, почвенного покрова, а также особенностей ведения сельского хозяйства: состава высеваемых культур и агротехнологий. Помимо полевых методов и математического моделирования эрозии почв будут использованы данные дистанционного зондирования Земли для выявления «очагов» эрозии и картографирования пространственной структуры эрозионно-аккумулятивных процессов. Вторая группа задач проекта направлена на прогнозную оценку рисков деградации почв от эрозии. Существующие в мире методы таких оценок основаны преимущественно на процессной составляющей, выражаемой в виде темпов эрозии почв (тонн/га в год). Однако степень эродированности почвенного покрова определяется совокупностью параметров, которые, как правило, не учитываются при оценке рисков деградации земель от эрозии. В проекте будет проведена оценка влияния на степень эродированности почвенного покрова следующих параметров: интенсивности эрозии почв, пространственной структуры эрозионно-аккумулятивных процессов, длительности антропогенной (ускоренной) эрозии, исходной мощности гумусовых горизонтов, типовой (подтиповой) принадлежности почв. Полученные результаты станут основой для совершенствования подходов к оценке рисков деградации земель от водной эрозии в концепции эволюции (трансформации) эрозионно-аккумулятивных структур почвенного покрова. В качестве объекта исследования выбрана Среднерусская возвышенность, располагающаяся в нескольких ландшафтных зонах при значительной доле пахотных земель и сравнительно высокой интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов. При этом Среднерусская возвышенность разнообразна по рельефу, почвенному покрову, длительности распашки и особенностям землепользования в различных её частях, а также особенностям формирования талого и ливневого стока. Использование в проекте геоинформационных систем, данных дистанционного зондирования Земли, цифровой информации о факторах, процессах эрозии и эродированности почв позволят провести картографо-статистические исследования на новом технологическом уровне. Montanarella, L., Pennock, D.J., McKenzie, N., Badraoui, M., Chude, V., Baptista, I., Mamo, T., Yemefack, M., Singh Aulakh, M., Yagi, K., Young Hong, S., Vijarnsorn, P., Zhang, G.-L., Arrouays, D., Black, H., Krasilnikov, P., Sobocká, J., Alegre, J., Henriquez, C.R., de Lourdes Mendonça-Santos, M., Taboada, M., Espinosa-Victoria, D., AlShankiti, A., AlaviPanah, S.K., Elsheikh, E.A.E.M., Hempel, J., Camps Arbestain, M., Nachtergaele, F., Vargas, R., 2016. World’s soils are under threat. Soil 2, 79–82. https://doi.org/10.5194/soil-2-79-2016

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Голосов В.Н., Жидкин А.П., Петелько А.И., Осипова М.С., Иванова Н.Н., Иванов М.М. Полевая верификация эрозионных моделей на основе исследований малого водосбора в бассейне р. Воробжи (Курская область) Почвоведение, № 10, с. 1321–1338 (год публикации - 2022)
10.31857/S0032180X22100045

2. Рухович Д.И., Королева П.В., Рухович А.Д., Комиссаров М.А. Informativeness of the Long-Term Average Spectral Characteristics of the Bare Soil Surface for the Detection of Soil Cover Degradation with the Neural Network Filtering of Remote Sensing Data Remote Sensing, 2023, 15, 124. (год публикации - 2023)
10.3390/rs15010124

3. Жидкин А.П., Геннадиев А.Н., Фомичева Д.В., Шамшурина Е.Н., Голосов В.Н. Soil erosion models verification in a small catchment for different time windows with changing cropland boundary Geoderma, Volume 430, February 2023, 116322 (год публикации - 2023)
10.1016/j.geoderma.2022.116322

4. Жидкин А. П., Рухович Д.И., Мальцев К.А., Королева П.В. Варьирование оценок эрозии почв при использовании разных карт пахотных угодий Белгородской области Почвоведение, №4 (год публикации - 2024)

5. Фомичева Д. В., Жидкин А. П., Комиссаров М.А. Полимасштабные оценки варьирования эродируемости почв в условиях высокой неоднородности почвенного покрова северной лесостепи среднерусской возвышенности Почвоведение (год публикации - 2024)

6. Жидкин А.П., Комиссаров М.А., Шамшурина Е.Н., Мищенко А.В. Эрозия почв на Среднерусской возвышенности (обзор) Почвоведение, № 2 (год публикации - 2023)

7. Жидкин А.П., Макаров О.А., Попова А.Р. Модификация методики определения размеров ущерба от деградации земель под воздействием эрозии почв Бюллетень Почвенного института имени В. В. Докучаева, Вып. 117, 2023. (год публикации - 2023)

8. Голосов В.Н., Шамшурина Е.Н. , Колос Г.И. , Петелько А.И. , Жидкин А.П. Пространственно-временные изменения эрозионно-аккумулятивных процессов на малом водосборе в северной части Среднерусской возвышенности Почвоведение (год публикации - 2024)

9. Фарходов Ю.Р., Никитин Д.А., Ярославцева Н.В., Максимович С.В., Зиганшина А.Р., Данилин И.В., Холодов В.А., Семенов М.В., Жидкин А.П. Composition of Organic Matter and Biological Properties of Eroded and Aggraded Soils of a Small Catchment in the Forest-Steppe Zone of the Central Russian Upland EURASIAN SOIL SCIENCE, Vol. 57, No. 9. P. 1474-1486. (год публикации - 2024)
10.1134/S106422932460115X

10. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Зиганшина А.Р., Данченко Н.Н., Фарходов Ю.Р., Максимович С.В., Жидкин А.П. Водоэкстрагируемое органическое вещество почв разной степени смытости и намытости на малом водосборе в центральной лесостепи Среднерусской возвышенности: распахиваемые почвы Почвоведение, № 6, с. 783–796 (год публикации - 2024)
10.31857/S0032180X240600195205252

11. Рухович Д.И., Королева П.В., Рухович А.Д., Комиссаров М.А. A detailed mapping of soil organic matter content in arable land based on the multitemporal soil line coefficients and neural network filtering of big remote sensing data GEODERMA, 447, 116941. (год публикации - 2024)
10.1016/j.geoderma.2024.116941

12. Шамшурина Е.Н., Голосов В.Н., Попова А.Р., Шынбергенов Е.А., Жидкин А.П. Оценка изменений интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов на малых водосборах Среднерусской возвышенности с начала земледельческого освоения Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение., № 3. С. 60-71. (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-3-60-71

13. Жидкин А.П., Фомичева Д.В., Заздравных Е.А. Эрозия и самовосстановление почв на Среднерусской возвышенности Вестник Московского университета. Серия 17: Почвоведение., № 3. С. 49-59. (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-3-49-59

14. Холодов В.А., Ярославцева Н.В., Зиганшина А.Р., Данченко Н.Н., Данилин И.В., Фарходов Ю.Р., Жидкин А.П. Водоэкстрагируемое органическое вещество почв разной степени смытости и намытости на малом водосборе в центральной лесостепи Cреднерусской возвышенности: намытые почвы в днище балки Почвоведение, № 7, с. 921–935 (год публикации - 2024)
10.31857/S0032180X24070018

15. Комиссаров М.А., Фомичева Д.В., Жидкин А.П., Юдина А.В. Variations in soil erodibility (K-factor) for the Chernozems depending on the method of texture determination Methods X, Volume 13, 102876 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mex.2024.102876

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В третий и заключительный год проекта были завершены все запланированные полевые и аналитические работы; проведены окончательные оценки темпов эрозионно-аккумулятивных процессов на всех ключевых участках, полученных на основе сочетания полевых методов и эрозионного моделирования. Составлена карта эродируемости почв (К-фактора) Среднерусской возвышенности на основе данных определений гран состава и содержания органического вещества в 1770 точках обследования на ключевых участках. Количественно определены средние значения К-фактора в зональных подтипах почв, установлено увеличение данного показателя в ряду: светло-серые, серые, темно-серые лесные почвы, черноземы оподзоленные, выщелоченные, типичные и обыкновенные. Установлено, что эродируемость почв на Среднерусской возвышенности уменьшается с севера на юг в среднем в 1,75 раза. Кроме того, выявлено увеличение значения К-фактора при увеличении степени смытости почв, особенно у сильносмытых почв. Выявлены тренды изменений темпов и объемов накопления наносов во времени в днищах долин исследованных малых водосборов за агрикультурный период. Максимальные темпы в пределах исследуемых водосборов наблюдались в в 1960-1970-е годы., что, вероятно, связано с переуплотнением почв тяжелой сельскохозяйственной техникой, а также вкладом талого смыва, регулярного для данного периода. Проведен сравнительный анализ эрозионных потерь почв в среднем по участкам исследования. На их основе смоделированы средние мощности гумусированной толщи современных почв с учетом эрозионных потерь. Сопоставлены измеренные в поле и смоделированные мощности гумусированной толщи, выявлена значимая роль самовосстановления почв в формировании эрозионно-аккумулятивных структур почвенного покрова. Недостаточный учет самовосстановления почв приводит к значительному занижению расчетных мощностей гумусированной толщи и, как следствие, к завышению степени эродированности почвенного покрова. На основе официальной государственной информации были проанализированы тренды изменения посевных площадей по группам культур в Тульской, Орловской, Курской и Белгородской областях. Установлено, что структура посевных площадей с 1996 по 2021 год претерпела значительные изменения во всех обследованных областях: значительно выросла доля площадей, занятых техническими культурами, при этом сократилась доля менее эрозионно-опасных кормовых культур. Изменение данного параметра свидетельствует о потенциале значительного роста темпов эрозии почв на всей Среднерусской возвышенности за последние три десятилетия только за счет изменения состава полевых культур. Усовершенствованы подходы к применению данных дистанционного зондирования, в частности показателя отражательной способности открытой поверхности почвы (ОСОПП), для картографирования пространственного распределения содержания органического вещества в пахотных горизонтах почв. Содержание органического углерода является одним из ведущих свойств почв, определяющих их эродируемость (К-фактор), в связи с этим авторы считают перспективным применение ОСОПП для составления карт эродируемости почв (К-фактора) в условиях высокой неоднородности почвенного покрова. На основе полученного опыта составлены методические рекомендации по моделированию эрозионно-аккумулятивных процессов на распахиваемых почвах Среднерусской возвышенности. Рекомендации сочетают, как теоретические основы эрозионного моделирования, так и технические аспекты пользовательского опыта подготовки входных параметров и использования программы WaTEM/SEDEM. Данные рекомендации направлены на привлечение более широко круга исследователей на применение эрозионных моделей на территории России и соседних государств. Построена карта среднемноголетних темпов эрозионно-аккумулятивных процессов на всей пашне Среднерусской возвышенности на основе расчётов по эрозионным моделям, верифицированным на крупно- и среднемасштабных ключевых участках с пространственным разрешением размера пикселя 30*30 м. На основе анализа полученной карты эрозии почв на всей пашне Среднерусской возвышенности выявлены «очаги» эрозии почв. На основе анализа изменений факторов развития эрозионно-аккумулятивных процессов в последние десятилетия в связи с климатическими изменениями и преобразованиями в агропромышленном комплексе установлены общие прогнозные тренды развития эрозионно-аккумулятивных процессов на Среднерусской возвышенности в среднесрочной перспективе.

Публикации