Гидрологическая и секвестрационная функции почв западинного комплекса лесостепи

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 22-77-10062

НазваниеГидрологическая и секвестрационная функции почв западинного комплекса лесостепи

Руководитель Смирнова Мария Андреевна, Кандидат географических наук

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

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «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 слова экосистемное моделирование, гидрологическое моделирование, влагозапасы, органический углерод, гумус, дистанционное зондирование Земли, полимасштабность, экостстемные услуги, изменение климата, Окско – Донская низменность, черноземы, глей, микроморфология, мониторинг почв, охрана почв

Код ГРНТИ39.19.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Почвы западинного комплекса играют ключевую роль в поддержании и функционировании лесостепных ландшафтов: они участвуют в переводе поверхностного стока во внутрипочвенный, тем самым, поддерживая уровень грунтовых вод окружающих территорий; накапливают углерод атмосферы. Эти почвы широко распространены в лесостепи Окско-Донской равнины, Приднепровской низменности, Западной Сибири; занимают обширные пространства на Северо - Американском континенте. В литературе накоплен большой фактический материал о водном режиме и гумусном состоянии почв западинного комплекса: пик детальных почвенных исследований пришелся на 70 - 80 – е годы прошлого столетия, а их результатом явились описанные на качественном уровне механизмы и предположения о генезисе и режимах функционирования почв западинного комплекса. Несмотря на высокую теоретическую значимость разработки качественных моделей, их недостаточно для проведения прогнозных оценок отклика почв на изменения условий среды. Достижения в физико-математическом моделировании, наличие данных дистанционного зондирования Земли высокого пространственного разрешения, систем автоматического сбора данных о свойствах почв, могут позволить решить эту проблему, а также уточнить существующие генетические и эволюционные предположения. Цель проекта - выявление, моделирование и верификация параметров пространственно – временной изменчивости потоков влаги и органического углерода в почвах западинного комплекса лесостепи Окско-Донской низменности в зависимости от особенностей мезо- и микрорельефа, почвообразующих пород, погодных условий и характера землепользования. Принципиально новым будет являться разработка динамических подходов к диагностике и количественной оценке почвенных функций в поддержании и развитии экосистем лесостепи. Обоснование основных диагностических показателей водного режима почв с использованием статистических моментов распределения моделируемых гидрологических переменных будет проводится впервые. Особую актуальность приобретают вопросы оценки вклада почв западинного комплекса в процессы секвестрации органического углерода атмосферы и, таким образом, смягчении климатических изменений. Междисциплинарность проекта – работа на стыке генетического почвоведения, гидрологии, ландшафтоведения, так же обусловливает новизну проводимых исследований. Парадигма «факторы почвообразования- элементарные ландшафтные процессы - процессы почвообразования - свойства почв – функции почв» и концепция иерархии структурных уровней организации почв являются методологической базой исследования. За основу моделирования гидрологических процессов в почвах будет взята водосборная, ориентированная на гидрологический процессы в условиях недостаточного увлажнения модель WASA-SED, отличающаяся оригинальной и соответствующей задачам проекта схемой пространственной дискретизации. Моделирование почвенных процессов поступления, трансформации и накопления органического вещества под влиянием гидрологических процессов будет проходить в два этапа. На первом будет применена теория континуума потери качества органического вещества Огрена и Босатты; на втором предполагается использовать концептуальные модели динамики почвенных агрегатов и роли физической структуры почвы в физическом закреплении органического вещества почв. В ходе реализации проекта предполагается решить следующий комплекс научных задач: (1) обосновать выбор масштабных уровней исследования, соответствующих моделируемым процессам и индикативным свойствам экосистем; (2) провести полевое обследование и отбор образцов почв, формирующихся в разных условиях увлажнения и характеризующихся различной степенью проявления гидроморфизма и накопления органического углерода в целях диагностики почвообразовательных процессов и параметризации моделей; (3) провести режимные наблюдения влажности и температуры почв, в том числе, системами автоматического сбора данных; (4) провести моделирование пространственно – временной изменчивости вертикальных и латеральных потоков влаги в почвах и обосновать основные диагностические показатели водного режима почв с использованием статистических моментов распределения моделируемых гидрологических переменных; (5) оценить ежегодные прирост\потери органического углерода исследуемыми почвами, определить оптимумы абиотических факторов для максимизации секвестрационной функции и ранжировать почвы по выраженности секвестрационного потенциала; обосновать основные диагностические показатели накопления органического углерода в почвах; (6) изучить отклик гидрологической и секвестрационной функций почв на изменение условий окружающей среды и характера землепользования; (7) разработать генетическую концепцию формирования почв западинного комплекса лесостепи как сочетания водного режима и особенностей накопления органического вещества почв, базирующуюся на физико-математическом моделировании процессов; (8) разработать подходы к диагностике и оценке почвенных функций (на примере гидрологической и секвестрационной) на основе смоделированных динамических переменных и показателей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Смирнова М.А., Козлов Д.Н. SOIL PROPERTIES AS INDICATORS OF SOIL MOISTURE REGIME PARAMETERS (A REVIEW) Eurasian Soil Science, том 56, № 3, с. 307-321 (год публикации - 2023)
10.1134/S1064229322602396

2. Бардашов Д.Р. Моделирование разложения органического вещества почвы с использованием q-model «Почвоведение. Горизонты будущего. 2022» Сборник тезисов докладов шестой конференции молодых ученых Почвенного института им. В.В. Докучаева, посвященной 95-летию Почвенного института им. В.В. Докучаева., «Почвоведение. Горизонты будущего. 2022» Сборн. тез-в докл. 6 конф-ии мол. уч. Почвенного ин-та им. В.В. Докучаева, посвящ.й 95-летию Почв-го ин-та им. В.В. Докучаева. Москва, 24-28 окт. 2022 г., - М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, 2022. С.132- 133 (год публикации - 2022)

3. Плотникова О.О. Микроморфометрическая оценка содержания и форм органического вещества в гумусовом горизонте чернозема ЗДОРОВЫЕ ПОЧВЫ – ГАРАНТ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ: сборн. мат-в ⅤI Междунар. научно-практич. конф., посвящ.140-летию с момента становл-я почвоведения как науки и публик. фунд-го труда В.В. Докучаева «Русский чернозем» (г. Курск, 30-31 марта 2023 г.), сборн. мат-в ⅤI Междунар. научно-практич. конф., посвящ.140-летию с момента становл-я почвоведения как науки и публик. фунд-го труда В.В. Докучаева «Русский чернозем» (г. Курск, 30-31 марта 2023 г.). 2023. С. 133-134. (год публикации - 2023)

4. Филь П.П. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЦИФРОВАЯ ПОЧВЕННО-ГИДРОФИЗИЧЕСКАЯ КАРТОГРАФИЯ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОСТЕПНОГО ЭКОТОНА (ОБЗОР) Почвенный институт им. В.В. Докучаева, Филь П.П., 2023 //Сборник тезисов докладов седьмой конференции молодых ученых Почвенного института им. В.В. Докучаева. Почвенный институт им. В.В. Докучаева. 2023 Издательство: Почвенный институт имени В.В. Докучаева (Москва). С.109 (год публикации - 2023)

5. Бардашов Д.Р., Смирнова М.А., Лозбенев Н.И., Филь П.П. Многолетняя динамика и индикаторы гидроморфизма полугидроморфных почв западинных комплексов Тамбовской лесостепи Почвы и окружающая среда [Электронный ресурс]: Сборник научных трудов Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 55-летию Института почвоведения и агрохимии СО РАН (2–6 октября 2023 г., г. Новосибирск)., Бардашов и др., 2023 С.// Почвы и окружающая среда [Электронный ресурс]: Сборник науч.труд. Всерос. науч.конф.с международным участием.Новосибирск: ИПА СО РАН, 2023. 838 с. DOI: 10.31251/conf1-2023 С. 442-445 (год публикации - 2023)

6. Бардашов Д.Р., Юрова А.Ю. ХАРАКТЕРИСТИКА СВЯЗИ МЕЖДУ ВЛАЖНОСТЬЮ ПОЧВЫ И СТЕПЕНЬЮ ГУМИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Q-MODEL II НИКИТИНСКИЕ ЧТЕНИЯ «АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЧВОВЕДЕНИЯ, АГРОХИМИИ И ЭКОЛОГИИ В ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ». МАТЕРИАЛЫ, Пермь : Издательство «ОТ и ДО», II НИКИТИНСКИЕ ЧТЕНИЯ «АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОЧВОВЕДЕНИЯ, АГРОХИМИИ И ЭКОЛОГИИ В ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ». МАТЕРИАЛЫ, Пермь : Издательство «ОТ и ДО», 2023., с.410-415 (год публикации - 2023)

7. Смирнова М.А., Бардашов Д.Р., Филь П.П., Лозбенев Н.И., Доброхотов А.В. Сезонная и многолетняя динамика влажности лугово-черноземных почв Окско-Донской низменности Eurasian Soil Science (год публикации - 2024)

8. Смирнова М.А., Плотникова О.О., Бардашов Д.Р., Терская Е.В. Генетические особенности лесостепных почв с осветленным горизонтом (на примере почвы западины Окско-Донской низменности). Вестник Томского государственного университета. Биология (год публикации - 2024)

9. Плотникова О.О., Демидов В.В., Фараходов Ю.Р., Семенков И.Н. Inﬂuence of Water Erosion on Soil Aggregates and Organic Matter in Arable Chernozems: Case Study AGRONOMY, no. 8. Vol. 14, P. 1607 (год публикации - 2024)
10.3390/agronomy14081607

10. Плотникова О.О., Смирнова М.А., Бардашов Д.С. Микроморфологическая характеристика признаков оглеения в почвах западинного комплекса лесостепи (тамбовская область) Почвы - опора России (Тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Казань, 12-16 августа 2024 г.). — МАКС-Пресс Москва-Казань, Почвы - опора России (Тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Казань, 12-16 августа 2024 г.). — МАКС-Пресс Москва-Казань: 2024. — С. 516–518. (год публикации - 2024)

11. Филь П.П., Юрова А.Ю., Козлов Д.Н., Доброхотов А.В., Медведев А.А. Ретроспективное моделирование водного режима почв недренируемых междуречий лесостепи Окско-Донской низменности Почвы - опора России (Тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Казань, 12-16 августа 2024 г.). — МАКС-Пресс Москва-Казань, Почвы - опора России (Тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Казань, 12-16 августа 2024 г.). — МАКС-Пресс Москва-Казань: 2024. — С. 550–552. (год публикации - 2024)

12. Мусаэлян Р.Э., Фомин Д.С. Применение 3d-печати для оптимизации центрифугирования при определении основной гидрофизической характеристики Почвоведение. Горизонты будущего. 2024 Сборник тезисов докладов восьмой Всероссийской открытой конференции с междунарожным участием — М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, , Почвоведение. Горизонты будущего. 2024 Сборник тезисов докладов восьмой Всероссийской открытой конференции с междунарожным участием — М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2024. С. 159 - 160 (год публикации - 2024)

13. Смирнова М.А., Лозбенев Н.И. Диагностические свойства и классификация гидроморфных почв лесостепи Окско-Донской низменности Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева, Вып. 122, С. 256-288. (год публикации - 2025)
doi.org/10.19047/0136-1694-2025-122-256-288

14. Смирнова М.А., Бардашов Д.Р., Юрова А.Ю., Филь П.П., Лозбенев Н.И., Плотникова О.О., Юдина А.В. , Фомин Д.С. Тренды изменения свойств почв недренируемого типа местности Окско-Донской низменности за полу вековой период Почвы - опора России (Тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Казань, 12-16 августа 2024 г.). — МАКС-Пресс Москва-Казань, Почвы - опора России (Тезисы докладов IX съезда Общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Казань, 12-16 августа 2024 г.). — МАКС-Пресс Москва-Казань: 2024. — С. 383–385. (год публикации - 2024)

15. Смирнова М.А., Лозбенев Н.И. Цифровое агроэкологическое картографирование почв на примере междуречий Окско-Донской низменности O'ZBEKISTON AGRAR FANI XABARNOMASI , № 3 (21/2), С. 206 - 210 (год публикации - 2025)

16. Юрова А.Ю., Смирнова М.А., Козлов Д.Н., Бардашов Д.Р., Лозбенев Н.И., Степаненко В.М. Faster topsoil organic matter transformation accompanies long-term carbon preservation in virgin Chernozems Geoderma Regional, 40, e00914 (год публикации - 2025)
10.1016/j.geodrs.2024.e00914

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведенные за отчетный период работы включали классические полевые исследования почвенного покрова ключевого участка с заложением опорных почвенных разрезов и буровых скважин, геофизическое профилирование методом электротомографии для характеристики особенностей почвообразующих пород, полевые измерения фильтрационных свойств почв, комплекс химико-аналитических исследований отобранных почвенных образцов (содержание органического углерода и его различных фракций, углерода карбонатов, состава поглощенных катионов и емкости катионного обмена, рН, различных фракций железа, содержания легкорастворимых солей, гранулометрический состав почв), микроморфологическая характеристика почв. Были продолжены мониторинговые исследования влажности почв и уровня залегания грунтовых вод. На основе подходов цифрового почвенного картографирования с использованием метода Random forest улучшена модель почвенно-ландшафтных связей недренируемых междуречий Окско-Донской низменности и обновлена цифровая почвенная карта ключевого участка площадью 400 га. Для всех западин, чьи водосборные бассейны полностью попадают в границы участка, были рассчитаны ежегодные объемы накопленной в них влаги и оценены параметры водного режима (за 1936 – 2023 гг). Особую актуальность проведенных работ придает участок исследования – стационар «Тамбовский», где под руководством проф. МГУ Е.М. Самойловой в 1969 – 1972 гг. проводились тщательные изучения свойств почв и их водного режима. Центральный блок работ за отчетный период был связан с параметризацией, запуском и оценкой чувствительности модели SoilGen по отношению к исследуемым в рамках проекта почвам. SoilGen представляет собой детерминированную модель почвообразования, объединяющую процессно-ориентированные механизмы с эмпирическими закономерностями. Она реализует концепцию В.В. Докучаева через численное моделирование взаимодействия климата, растительности, геологических условий и биологической активности в единой системе уравнений. Ключевое преимущество модели - одновременный расчет теплового, водного режимов и углеродного баланса с привязкой к конкретным почвенным слоям, что позволило проследить эволюцию почв недренируемых междуречий Окско-Донской низменности за 22 тыс. лет. Вместе с тем, модель требует сложной параметризации (247 параметров граничных условий и 84 параметра на каждый слой; моделирование проведено для 20 слоев), что было выполнено в данном исследовании. Моделирование показало, что в позднем плейстоцене частые засухи ограничивали накопление органического углерода (Сорг), и лишь с наступлением влажного голоцена началось его устойчивое увеличение. В раннем голоцене длительные периоды достаточного увлажнения способствовали активному накоплению Сорг, сформировав основу современного гумусового профиля. Хотя кратковременные похолодания и засухи временно замедляли этот процесс, общая тенденция оставалась положительной, и к позднему голоцену содержание Сорг в почвах стабилизировалось. Отдельно отметим, что даже слабая биотурбация существенно влияла на вертикальное распределение углерода: без нее 90% Сорг концентрировалось в верхних 30 см, а при интенсивном перемешивании углерод равномерно распределялся до глубины 1,5 метров. Моделирование особенностей накопления Сорг в черноземах квазиглеевых при разных сценариях землепользования за 50- летний период показало, что севообороты с многолетними травами (люцерна, эспарцет, козлятник) увеличивают накопление органического углерода в черноземах квазиглеевых на 30-40% по сравнению с зерновыми культурами, обеспечивая прирост 0.8-1.1% в пахотном слое. При этом в слое 20-30 см травопольные системы поддерживают стабильный углеродный баланс, тогда как монокультуры приводят к потере 0.2% углерода. В ряду полугидроморфных почв западинных комплексов, наибольшим секвестрационным потенциалом обладают черноземы квазиглеевые; способность почв к секвестрации и депонированию снижается по мере снижения биологической продуктивности растительных сообществ и повышения продолжительности сезонного переувлажнения. В то же время, накопление и связывание углерода не является функцией конкретной почвы, а всего почвенного покрова, объединенного западинным комплексом. Моделирование отклика гидрологической функции почв на изменение климата показало, что в относительно засушливые годы минимальная влажность в днище западин остаётся выше, чем на межзападинном пространстве, особенно в нижних горизонтах. В более влажные годы контраст усиливается: почва западин приближаются к полному насыщению, тогда как профиль почвы на межзападинном пространстве лишь частично насыщается влагой. Анализ межгодовой динамики влажности почв и залегания уровня грунтовых вод показывает устойчивую тенденцию к аридизации гидрологического режима почв исследуемой территории. Методом Random Forest определено, что наиболее значимыми в разделении почв в признаковом пространстве оказались значения TPI для разных окрестностей, а также среднемноголетние значений вегетационного индекса NDVI за летний период; выделено 12 почвенных разновидностей. Почвы западин представлены 3 разными группами, различающимися по степени гидроморфизма и проявлению процесса лессиважа, образуя эволюционный ряд от перегнойно-гумусово глеевых почв к переходной группе с явными признаками грунтового переувлажнения и слабо выраженной текстурной дифференциацией и к почвам с выраженным накоплением ила в средней части профиля и со слабыми признаками гидроморфизма. Гидрологический режим является ключевым фактором дифференциации свойств почв западин; перегнойно-гумусово глеевые формируются в условиях постоянного грунтового переувлажнения, почвы переходной группы формируются при смешанном грунтово-глеевом увлажнении, почвы с явно выраженной текстурной дифференциацией формируются в условиях поверхностного переувлажнения. Заметки в СМИ: https://esoil.ru/events/fieldwork/rsf_expedition_tambov/ https://glavagronom.ru/news/kurskie-chernozemy-poteryali-14-plodorodnyh-veshchestv-iz-za-vodnoy-erozii https://news.rambler.ru/tech/53235155/?utm_content=news_media&utm_medium=read_more&utm_source=copylink https://nauka.tass.ru/nauka/21584133?utm_source=google.com&utm_medium=organic&utm_campaign=google.com&utm_referrer=google.com https://dzen.ru/a/ZrzOD4uSq2_TozEK https://t.me/pochvin/337 https://t.me/pochvin/305 https://poisknews.ru/pochvovedenie/iz-za-vodnoj-erozii-kurskie-chernozemy-poteryali-14-plodorodnyh-veshhestv/ https://www.geogr.msu.ru/news/uchenye-iz-pochvennogo-instituta-i-mgu-otsenili-vliyanie-vodnoy-erozii-na-sostav-i-strukturu-chernoz/ https://inscience.news/ru/article/russian-science/kurskie-chernozemy-poteryali-14-plodorodnyh-vesh

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта обладают высоким потенциалом практического применения в сельском хозяйстве, экологии и цифровых технологиях, включая разработку систем углеродного землепользования, оптимизацию мелиорации и создание цифровых двойников почв для точного земледелия. Проект формирует научно-технологический задел для развития рынка агротехнологий в России, соответствующий приоритетам научно-технического развития страны.