Углеродный баланс и повышение секвестрационного потенциала сельскохозяйственных угодий поймы средней Оби

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 23-16-00218

НазваниеУглеродный баланс и повышение секвестрационного потенциала сельскохозяйственных угодий поймы средней Оби

Руководитель Кирпотин Сергей Николаевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова парниковые газы, связывание углерода, сенокосные угодья, пойма реки Обь, Западная Сибирь

Код ГРНТИ68.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Пойменные территории, наиболее продуктивные экосистемы суши, на сегодняшний день являются одними из наименее изученных объектов в качестве потенциальных долгосрочных резервуаров углерода (Cole et al., 2007; Kayranli et al., 2010; Schulze et al., 2005; Jaramillo et al.,2003; Walter and Merritts, 2008; Cierjacks et al., 2010; Hoffmann et al., 2013). Для определения глобального значения пойменных систем в наземном углеродном бюджете необходимы дополнительные исследования взаимосвязей пулов углерода, понимания механизмов круговорота и установления исходных условий для удержания органического углерода (Sutfin et al., 2016). Это важно не только для круговорота углерода на земле и его хранения, но и для поддержания целостности экосистем и экосистемных услуг. Проектом предполагается измерение потоков парниковых газов и измерение пулов углерода в пойме Средней Оби, второй по величине затопляемой территорией в мире (Papa et al., 2007; Vorobyev et al., 2015), в том числе исследования на сенокосных пойменных угодьях в сравнении с их естественными аналогами и серия полевых экспериментов для повышения секвестрационного потенциала пойменных территорий. Выбросы парниковых газов из невероятно изменчивы во времени и пространстве, поэтому проектом предполагается выполнение мониториговых изменений во временной и пространственной динамике. Проект основан на комбинированном, мультидисциплинарном подходе. Мы предлагаем комплексную программу, включающую дистанционные методы исследования окружающей среды, мониторинговые исследования, метеорологические наблюдения, оценку продукции и деструкции, эмиссии CO2 и миграции растворенных органических веществ, геохимические и микробиологические исследования природных сред (атмосферный воздух, растительность, почвы, поверхностные воды), полевые экспериментальные исследования и иммитационое моделирование. Также проектом предполагается разработка новых и адаптация существующих агротехнологий повышения секвестрационного потенциала сельскохозяйственных территорий в пойме Оби. Ожидается, что предлагаемый в данном проекте интегральный подход к сопряженному изучению пулов и потоков углерода может обеспечить концептуально новое решение оценки его баланса. Сочетание полевых измерений, натурных экспериментов и имитационного компьютерного моделирования позволит получить адекватную оценку динамики основных парниковых газов, а также вклад каждого из учитываемых внешних факторов в биогеохимические циклы азота и углерода в различных типах агроэкосистем. Полученные знания могут быть использованы для управления пойменными экосистемами (Bellmore and Baxter, 2014). На основе полученной модели планируется разработка методик и мероприятий по управлению эмиссией и секвестрацией парниковых газов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Михалейко Б., Кирпотин С.Н., Бабенко А.С. Development and transformation of floodplain territories by ants Acta Biologica Sibirica, 9, 943–952 (год публикации - 2023)
10.5281/zenodo.10101342

2. Шепелева Л.Ф., Пудова М.С., Леденева Е.А., Колесниченко Л.Г. Надземная и подземная фитомасса луговых сообществ поймы средней Оби (Кривошеинский район Томской области) Журнал Сибирского федерального университета. Биология, 2023 16(4): 454–470 (год публикации - 2023)

3. Интересова Е.А., Попков В.К., Колесниченко Л.Г., Рахманова Л.Я., Дылдин Ю.В., Кирпотин С.Н. Changes in Middle Ob fish diversity: an analytical review Acta biologica Sibirica, 9: 1189–1206 (год публикации - 2023)
10.5281/zenodo.10435646

4. Бляхарчук Т.А., ван Харденброк М., Пупышева М.А., Кирпотин С.Н., Бляхарчук П.А. Late Glacial and Holocene history of climate, vegetation landscapes and fires in South Taiga of Western Siberia based on radiocarbon dating and multi-proxy palaeoecological research of sediments from Shchuchye Lake Radiocarbon, 2024, pp. 1–24 (год публикации - 2024)
10.1017/RDC.2024.103

5. Воробьев С.Н., Колесниченко Л.Г., Колесниченко Ю., Прокушкин А.С., Луговая-Долматова А.В., Карлсон Я., Покровский О.С. Floodplain carbon dioxide emissions strongly exceed those of the main river stem: A case study of the Ob River, western Siberia Journal of Hydrology, Volume 638, July 2024, 131468 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jhydrol.2024.131468

6. Михалейко Б.О., Бабенко А.С., Ховалыг А.О., Монгуш С.Д., Донгак М.И., Канзыева С.О., Ондар С., Кирпотин С.Н. The influence of ants on the environment and their relationship with ecosystem components Acta Biologica Sibirica, 10: 901–919 (2024) (год публикации - 2024)
doi.org/10.5281/zenodo.13705509

7. Моисеева Е.А., Шепелева Л.Ф., Бордей Р.Х. Features of the development of Galega orientalis Lam. in the conditions of the middle taiga of Western Siberia Acta Biologica Sibirica, 10: 601–610 (2024) (год публикации - 2024)
10.5281/zenodo.12198537

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
При помощи дешифрирования и анализа материалов космосъемки с применением Google Earth Engine получены новые данные о изменении индексов NDVI, SWVI и LST разновременных многоспектральных данных снимков спутников Landsat 5, 7, 8 (1990-2022 гг.). С помощью фондовых данных по свойствам водных объектов Томской области установлена количественная связь между потоками парниковых газов, концентрациями РОУ, РНУ и процентом, типом сельскохозяйственных земель. В ходе выполнения полевых работ получены новые сведения о комплексных ландшафтно-экологических характеристиках ключевых участков. Получены новые данные о эмиссии парниковых газов на ключевых участках в суточной и сезонной динамике, сопоставленные с запасами и продукцией различных фракций фитомассы, включая надземный и подземный (корни и корневища трав) ярусы. Получены сведения о степени и скорости разложения мортмассы разных видов и групп растительности. Для ключевых участков получены новые данные о запасах углерода, а также о основных микро-и макроэлементах, сопоставленных с элементным составом отдельных фракций живой фитомассы (мхи, лишайники, травы, кустарнички, а также подземные органы – корни и корневища) и водно-физическими свойствами почв: пористость, водопроницаемость. Установлены зависимости влияния снегозадержания и внесения минеральных, органических, органо-минеральных удобрений на сельскохозяйственных угодьях в пойме и на территории СибБС на величину надземной и подземной продукции и потоках парниковых газов, содержание органического вещества почв, микробиологических характеристик. В период снеготаяния получены новые закономерности взаимодействия талой снеговой воды с травянистой растительностью и с поверхностным горизонтом аллювиальных вод. Геоинформационная аналитическая система для сбора, хранения и анализа материалов, получаемых в ходе выполнении проекта наполнена новыми сведениями.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В пойме средней Оби проведена оценка элементов углеродного цикла территорий сельскохозяйственных угодий и их аналогов, находящихся в естественном состоянии во временной и пространственной динамике. Анализ космоснимков позволил оценить происходящие в ландшафтах поймы изменения за три года. Сопоставив результаты трехлетней динамики зеленой фитомассы и значений вегетационных индексов (NDVI, SAVI), построили регрессионные уравнения, позволяющие проводить интерполяцию полученных результатов с помощью дешифрирования разномасштабных данных дистанционного зондирования Земли на большие территории. Наиболее сильная корреляция с фитомассой наблюдается у индекса Sr. Установлено изменение видового состава лугов вследствие различных гидрологических и метеорологических условий. Запасы фитомассы за три года с различными режимами увлажнения продемонстрировали достаточно широкий разброс значений. Показатель надземной зеленой массы в пик вегетации (в июле) варьировал от 238,1 до 351 г/м2 в 2023 году и от 388,4 до 767,5 г/м2 в 2024-ом, явно демонстрируя разницу сухого и увлажненного сезона. Самые низкие значения зеленой массы в 2023 году были на регулярно затопляемых лугах, тогда как луга, расположенные на гривах, показали наибольшую разницу между годами, продемонстрировав почти двукратный рост. В течение трех вегетационных сезонов наблюдалась сходная динамика роста и развития надземной зеленой массы. Цикл развития идет с пиком в июле-августе, как на затапливаемых лугах, так и на расположенных на повышениях рельефа, что согласуется со значениями вегетационных индексов, полученными в результате дешифрирования космоснимков Santinel участков сенокосов и их ненарушенных аналогов . Проанализировав данные по динамике вегетационных индексов установлено, что на территории сенокосов в мае и октябре биомасса статистически значимо выше, чем на их ненарушенных аналогах. Установлены межсезонные и внутрисезонные различия в запасах мортмассы. Для более сухого 2023 года изменение массы ветоши характеризуется плавным переходом в подстилку в середине сезона зеркально движениям зеленой массы, чего не наблюдается во влажном 2024 году. В течение 2024 года наблюдается постепенное накопление ветоши к октябрю. Максимальное количество подстилки приурочено к двум отрезкам вегетационного сезона – в мае в виде накопленной с прошлых сезонов мортмассы и непосредственно в августе-сентябре, когда происходит накопление ветоши и ее опада после завершения сезона вегетации. На основе полученных данных ежемесячной динамики был проведен подсчет количественного показателя — первичной продукции (NPP) по методике балансовых уравнений. NPP исследованных лугов изменялась от 1717,9 до 4834, 9 г/м2 (или от 17, 2 т/га до 48,4 т/га), что достаточно высоко для травяных экосистем. Подземная продукция доминировала в составе общей массы продукции, что характерно как для пойменных лугов, так и для травяных экосистем в целом и составляла от 56,6 до 78,1% от первичной продукции. В 2024 году зафиксирован значительный рост первичной продукции по сравнению с 2023 и 2025 годом на трех участках из четырех. Исследование эмиссии СО2 на ключевых участках Т1, Т2, Т10, Т20 в суточной динамике проведено с использованием автоматических камер (ИП Кураков). На основе данных, полученных с метеостанции Кайбасово с использованием DNDC-Agro построены имитационные модели. Эффективность модели оценена путем сравнения измеренных и смоделированных выбросов с точки зрения выбросов парниковых газов и сезонных характеристик выбросов, а также путем сравнения измеренных переменных окружающей среды с смоделированными характеристиками окружающей среды. Полученные результаты полевых и лабораторных экспериментов позволили оценить влияние внесения минеральных, органических, органо-минеральных удобрений на потоки углерода в пойме Оби. Разработана агротехнология повышения секвестрационного потенциала сельскохозяйственных территорий в пойме Оби. В рамках технологии реализуются два взаимосвязанных комплексах мероприятий: комплекс мероприятий, направленный на получение биоугля, включающий cкашивание стандартной сельскохозяйственной техникой трав; cжигание луговых трав с использованием передвижной пиролизной установки и получение биоугля; производство удобрений на основе биоугля, а так же комплекс агротехнических мероприятий, направленный на поверхностное улучшение лугов, включающий: внесение в почву удобрений на основе биоугля; дискование; известкование; подсев трав. Разработаны методики и мероприятия по управлению эмиссией и секвестрацией парниковых газов. Даны рекомендации для дальнейшей организации карбоновых ферм на пойменных территориях Западной Сибири.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта возможно использовать при оценке углеродного баланса лугов и сенокосных угодий. Полученные данные трехлетней динамики фитомассы луговых фитоценозов будут способствовать совершенствованию моделей оценки парниковых газов. Разработки проекта способствуют достижению целей Стратегии низкоуглеродного развития, в частности, увеличению поглощающей способности луговых экосистем. Агротехнология применения удобрений на основе биоугля из луговых трав позволит повысить секвестрационный потенциал сельскохозяйственных территорий в пойме Оби. Она представляет собой конкретный, научно обоснованный инструмент для бизнеса, который позволяет одновременно повышать экономическую эффективность сельского хозяйства, улучшать экологические показатели и создавать новые рыночные возможности в растущем секторе «зеленой» экономики.