Интеллектуальный почвенный дизайн и композитные материалы для лесоразведения с регулируемой карбоновой секвестрацией

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 23-64-10002

НазваниеИнтеллектуальный почвенный дизайн и композитные материалы для лесоразведения с регулируемой карбоновой секвестрацией

Руководитель Смагин Андрей Валентинович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лесоведения Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №82 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-108 - Почвоведение

Ключевые слова углеродная нейстральность, углеродный баланс, депонирование углерода, лесовосстановление, лесные почвы, почвенный инжиниринг, композитные почвенные кондиционеры, процессное моделрование, компьютерный дизайн.

Код ГРНТИ68.05.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Новая государственная научно-техническая политика в области экономического развития, в соответствии с указом Президента РФ №76 от 26.02.2021 г, ориентирует на повышение экологического потенциала земель в поглощении из атмосферы и долгосрочном депонировании углерода лесной растительностью и почвенным покровом. Эта стратегическая инициатива государства ставит перед отечественной наукой две приоритетные задачи 1) - развития легитимной для международного сообщества методологии количественной оценки углеродного баланса территории, текущего и прогнозного депонирования углерода; 2) - разработки эффективных биогеоинженерных технологий, обеспечивающих такое депонирование в процессе лесоразведения и лесовосстановления. Предлагаемый поисковый Проект направлен на решение обеих задач объединенными на базе ИЛАН РАН и КФУ специалистами биологических, физико-математических, химико-технологических и геоинженерных наук. В нем впервые для РФ предлагается использовать интеллектуальный почвенный дизайн на базе компьютерного моделирования энергомассообмена распределенной динамической системы «почва-материал-растение-атмосфра» для поиска оптимальных технологических решений по составу, дозам, глубинам расположения почвенных кондиционеров при посадке лесных культур, обеспечивающих их высокую приживаемость, продуктивность и максимальное суммарное секвестрирование углерода в растущем древостое и почве. Создаваемые и используемые с этой целью композитные материалы, наряду с обычными для почвенных кондиционеров функциями улучшения водного режима, агрохимических свойств почвы, противопатогенной защиты ризосферы, включают новую функцию снижения газообразных потерь углерода в атмосферу, аккумуляции в почве и перевода в почвенный раствор с последующим закреплением на искусственных биоинженерных структурно-почвенных, геохимических барьерах. Фундаментальное обоснование и всесторонняя проверка разрабатываемых в проекте технологических решений требуют детальных полевых экспериментов с экологическим мониторингом не только очевидных показателей депонирования углерода в виде текущего прироста наземной и подземной фитомассы, запасов почвенного углерода, но и не менее важных для оценки общего углеродного баланса диссипативных процессов в виде потоков газообразного и растворенного углерода, межфазных взамодействий и фиксации разных форм углерода в почвенном объеме в составе твердой и жидкой фаз почвы, потенциального углеродного рециклинга в лесной экосистеме, а также изменений этих показателей под действием почвенных кондиционеров. Эта часть Проекта подразумевает методические разработки на базе современного инструментального оборудования для мониторинга газовых и водных углеродных потоков, межфазных взаимодействий диоксида углерода, интенсивности биодеградации органических веществ под действием контролирующих гидротермических факторов и применяемых почвенных кондиционеров. Тем самым наряду с основной технологической задачей секвестрирования углерода лесными насаждениями и почвами, в Проекте разрабатывается и апробируется на практике современная методология инструментальной оценки углеродного баланса лесного ландшафта с учетом сложного и малоизученного спектра внутрипочвенных процессов трансформации и транспорта биогенного углерода в его различных формах. Междисциплинарность Проекта, органическое сочетание в нем фундаментальных и практических задач по секвестрированию углерода лесными насаждениями обуславливают его актуальность как для развития методологии количественного учета и оценки углеродного баланса с использованием математического моделирования контролирующих продуктивность и газообмен почвенных потоков (влаги, газов, растворенных веществ, тепла), так и для научного обоснования и оптимизации карбоновых ферм, формирование которых на нерентабельных для сельского хозяйства лесных землях РФ может стать стратегическим вектором развития малого и среднего бизнеса в связи с новой международной карбоновой политикой.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Корчагина К.В. Biodegradability of Gel-Forming Superabsorbents for Soil Conditioning: Kinetic Assessment Based on CO2 Emissions Polymers, Том 15, №17, 3582, с 1-19 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15173582

2. Касимов А.Р. Analytic solutions for quasi-3D seepage in a shallow unconfined aquifer as a plane composed of a transpiration-inducing park and its hydraulically commingled exterior Journal of Hydrology, Т.626 (B), №130302, С.1-10 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jhydrol.2023.130302

3. Касимов А.Р., Обносов Ю.В. Analytical and HYDRUS solutions for exfiltration through inclined seepage faces Advances in Water Resources, T.179 (2023), № 104517 (год публикации - 2023)
10.1016/j.advwatres.2023.104517

4. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Корчагина К.В., Кокорева А.А., Кривцова В.Н. Kinetic Assessment of the Biodegradability of Gel-Forming Soil Conditioners in Incubation Experiments with Instrumental Monitoring of Carbon Dioxide Eurasian Soil Science, T. 56, No. 12, C. 1963–1977. (год публикации - 2023)
10.1134/S1064229323602056

5. Смагин А.В.. Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Корчагина К.В., Кривцова В.Н. Simulation Modeling and Practical Use of the Hydrological Function of Detritus in Soil-Engineering Technologies Moscow University Soil Science Bulletin, Т. 78, No. 4, С. 396–409 (год публикации - 2023)
10.3103/S0147687423040075

6. Смагин А.В.. Садовникова Н.Б., Корчагина К.В., Беляева Е.А. Kinetic Estimation of the Biodegradability of Gel-Forming Soil Conditioners on the Basis of BOD Analysis Moscow University Soil Science Bulletin, Т. 78, No. 3, С. 219–232. (год публикации - 2023)
10.3103/S0147687423030122

7. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Корчагина К.В., Кокорева А.А., Кривцова В.Н. Кинетическая оценка способности к биодеградации гельформирующих почвенных кондиционеров в инкубационных экспериментах с инструментальным мониторингом диоксида углерода Почвоведение, № 12, С. 1654-1670 (год публикации - 2023)
10.31857/S0032180X23600932

8. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Корчагина К.В., Беляева Е.А. Кинетическая оценка биодеградабельности гель-формирующих почвенных кондиционеров на базе БПК-анализа Вестник Московского университета, сер.17 Почвоведение, Т.78, №3, С. 36-49. (год публикации - 2023)
10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-36-49

9. Смагин А.В.. Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Корчагина К.В., Кривцова В.Н. Имитационное моделирование и практическое использование гидрологической функции детрита в технологиях почвенного конструирования Вестник Московского университета, сер.17 Почвоведение, Т. 78, №4, С. 94-108 (год публикации - 2023)
10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-4-94-108

10. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Касимов А.Р. Эколого-гидрологическая функция детрита в самоорганизации долинных лесных экосистем и ее имитация в технологиях почвенного конструирования Экология речных бассейнов / П/ред. проф. Т.А. Трифоновой; Владим. гос. ун-т. им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Владимир, 2023. 664 с., С. 109-114 (год публикации - 2023)

11. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Васенев В.И. Differential equations in process modeling of dynamic systems with carbon sequestration: approaches, mathematical problems, modern challenges Труды Математического центра имени Н.И. Лобачевского. Издательство: Казанское математическое общество, Казань, Т. 66. С. 209-210 (год публикации - 2023)

12. Касимов А.Р. Analytic solution to the Laplace-Poisson equation for Strack’s potential modeling transpirative drawdown, decontamination of groundwater and carbon sequestration by rectangular-shaped urban greenery zone Труды Математического центра имени Н.И. Лобачевского, Издательство: Казанское математическое общество, Казань, 2023, Т. 66, С. 117-118 (год публикации - 2023)

13. Касимов А.Р., Обносов Ю.В. Analytical and numerical modeling of seepage in domains with a free boundary, tilted bedrock and seepage face: the Pavlovskii legacy revisited Труды Математического центра имени Н.И. Лобачевского, Издательство: Казанское математическое общество, 2023, Т. 66, С. 118-120 (год публикации - 2023)

14. Смагин А.В., Садовникова Н.Б. Hygroscopy as an Indicator of Specific Surface Area in Polymer Materials Polymers , Vol. 16(5). (2024). 593, p. 2-19. (год публикации - 2024)
10.3390/polym16050593

15. Аль-Якуби Ш., Али Аль-Мактум А., Обносов Ю., Касимов А. Clogging of toe drain drastically affects phreatic seepage in earth dams Advances in Water Resources, Vol. 190. (2024). 104737, p. 1-16. (год публикации - 2024)
10.1016/j.advwatres.2024.104737

16. Диб М., Смагин А.В., Паулейт С., Фуше-Гробла О., Подвоевски П., Гроффман П. М. The urgency of building soils for Middle Eastern and North African countries: Economic, environmental, and health solutions Science of the Total Environment, Volume 917, 20 March 2024, 170529 (год публикации - 2024)
10.1016/j.scitotenv.2024.170529

17. Смагин А.В., Садовникова Н.Б. Гигроскопическая влажность как показатель дисперсности почвы: термодинамическое обоснование и экспериментальная проверка Вестник Московского университета, сер.17: Почвоведение, Том 79. № 2. С. 3-14. (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-2-3-14

18. Смагин А.В. Fundamental Water-Retention Model Based on the Theory of Disjoining Pressure of Soil Water Moscow University Soil Science Bulletin, Vol. 79, No. 4, pp. 404–417 (год публикации - 2024)
10.3103/S0147687424700388

19. Смагин А.В. Physically Based Thermodynamic Model of the Water Retention Curve of Soils for the Entire Water Range Eurasian Soil Science, Vol. 57, No. 9, pp. 1447–1460 (год публикации - 2024)
10.1134/S1064229324600234

20. Смагин А.В. Фундаментальная модель водоудерживания на основе теории расклинивающего давления почвенной влаги Вестник Московского Университета, сер. 17. Почвоведение, Т. 79. № 4, с.26-40. (год публикации - 2024)
10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-4-26-40

21. Смагин А.В., Садовникова Н.Б. Hygroscopic Water Content as an Indicator of Soil Dispersity: Thermodynamic Basis and Experimental Verification Moscow University Soil Science Bulletin, Vol. 79, No. 2, pp. 79–90. (год публикации - 2024)
10.3103/S014768742470011X

22. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Прокопьева К.О., Калнин Т.Г., Мамутов Н.К. Methodological Problems of Salinity Evaluation in Arid Soils by the Electrical Conductivity of the Liquid Phase Arid Ecosystems, Vol. 30, No. 1(98), pp. 31–44. (год публикации - 2024)
10.1134/S2079096124010141

23. Касимов А.Р., Обносов Ю.В. MIXED BOUNDARY VALUE PROBLEM IN MICROFLUIDICS:THE AVER’YANOV–BLUNT MODEL REVISITED ANZIAM Journal, 67, e16 (2025), 1–14 (год публикации - 2025)
10.1017/S1446181124000051

24. Касимов А.В., Обносов Ю.В., Умарова А.Б., Садовникова Н.Б., Аль-Шукайли А., Смагин А.В. Saturated-unsaturated seepage from Kornev's subsurface element: comparison of analytic and numerical solutions Proceedings of the XVII International Kazan School-Conference «Theory of Functions, Its Applications and Related Issues“, Kazan, August 24-28, 2025, Proceedings of the N.I.Lobachevsky Mathematical Centre, Kazan University, V.69, pp. 85-88. (год публикации - 2025)

25. Смагин А.В. A physically based model for the entire soil water retention curve Soil Science Society of America Journal , 89:e70054. (год публикации - 2025)
10.1002/saj2.70054

26. Касимов А.Р., Обносов Ю.В., Никоненкова Т.В., Смагин А.В. Analytical and HYDRUS2D models of seepage from buried trapezoidal ditches as subsurface capillarity-driven irrigating units Modeling Earth Systems and Environment, 11:136 (год публикации - 2025)
doi.org/10.1007/s40808-025-02301-6

27. Смагин А.В., Касимов А.Р., Садовникова Н.Б. EC conversion for 1:5 extracts and standard saturated soil–water pastes in the assessment of arid land salinization: Classical methodologies revisited Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, V.23 (2024). P. 277–288 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jssas.2023.12.005

28. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Прокопьева К.О., Калнин Т.Г., Мамутов Н.К. Методологические проблемы оценки засоленности аридных почв по электропроводности жидкой фазы Аридные экосистемы, том 30, №1 (98), с. 31-44 (год публикации - 2024)
10.24412/1993-3916-2024-1-31-44

29. Смагин А.В. Disjoining pressure model for the entire soil water retention curve Catena, 254 (2025) 108909 (год публикации - 2025)
10.1016/j.catena.2025.108909

30. Смагин А. В., Садовникова Н.Б., Беляева Е.А., Касимов А.Р., Смагина М.В. Carbon Sequestration as a Driver of Pine Forest Succession on Sandy Alluvium: Quantitative Assessment and Process Modeling Forests , 16,1482. (год публикации - 2025)
10.3390/f16091482

31. Касимов А.Р., Обносов Ю.В., Никоненкова Т.В., Смагин А.В. Two-dimensional Capillarity-Driven Seepage From a Lined Buried Ditch: the Kornev Subsurface Irrigation “Absorptional” Method Revisited Advances in Water Resources, Volume 199, 104917 (год публикации - 2025)
10.1016/j.advwatres.2025.104917

32. Аль-Якуби Ш., Касимов А.Р., Аль-Мактуми А. Commingling of 2-D Darcian seepage with pipe flow: the Polubarinova-Kochina –Chanson problem revisited INTERNATIONAL JOURNAL OF GEOTECHNICAL ENGINEERING , Volume 19, Issue 5 (год публикации - 2025)
10.1080/19386362.2025.2480791

33. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Сухоруков С.В., Беляева Е.А. Высокочастотный СО2-мониторинг газообмена почвы и растительности с атмосферой для оценки локального углеродного баланса элемента зеленой инфраструктуры Почвоведение, № 5, с. 603–619 (год публикации - 2025)
10.31857/S0032180X25050051

34. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Сухоруков С.В., Беляева Е.А. High-Frequency CO2 Monitoring of the Soil and Vegetation Gas Exchange with the Atmosphere to Assess the Local Carbon Balance of a Green Infrastructure Element Eurasian Soil Science, Vol. 58:62. (год публикации - 2025)
10.1134/S1064229324603639

35. Смагин А.В., Будников В.И., Садовникова Н.Б. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОГЕЛЕВЫХ ПРЕПАРАТОВ ПРОЛОНГИРОВАННОГО ДЕЙСТВИЯ, СОДЕРЖАЩИХ ГИДРОФОБНЫЕ ФУНГИЦИДЫ Федеральная служба по интеллектуальной собственности РФ (ФИПС), 06.03.2025 Бюл. № 7, Патент RU 2835939 (год публикации - 2025)

36. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Сухоруков С.В., Беляева Е.А., Касимов А.Р. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ С-МОНИТОРИНГ: ФОТОСИНТЕЗ ХВОИ В ЗИМНЕЕ ВРЕМЯ Редакционная коллегия: А.И. Трубилин, А.В. Смагин, А.Х. Шеуджен, А.А. Макаренко, В.В. Корунчикова, Л.С. Новопольцева Ответственный за выпуск А.Г. Кощаев Пути решения экологических проблем как важнейшая основа устойчиво го развития регионов : сб. статей по материалам междунар. науч. экол. конф., 24 марта 2025 г. / отв. за вып. А. Г. Кощаев. – Краснодар : КубГАУ, 2025, с. 117-122 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Междисциплинарный Проект направлен на решение задач по разработке эффективных биогеоинженерных технологий, обеспечивающих депонирование углерода в процессе лесоразведения и лесовосстановления и методологии количественной оценки углеродного баланса насаждений объединенными на базе Института лесоведения (ИЛАН РАН) и Казанского федерального университета (КФУ) специалистами биологических, физико-математических, химико-технологических и геоинженерных наук. В нем впервые для РФ предлагается использовать интеллектуальный почвенный дизайн на базе компьютерного 2/3D моделирования энергомассообмена распределенной динамической системы «почва-материал-растение-атмосфра» для поиска оптимальных технологических решений по составу, дозам, глубинам расположения почвенных кондиционеров при посадке лесных культур, обеспечивающих их высокую приживаемость, продуктивность и максимальное суммарное секвестрирование углерода в растущем древостое и почве. Создаваемые и используемые с этой целью композитные материалы, наряду с обычными для почвенных кондиционеров функциями улучшения водного режима, агрохимических свойств почвы, противопатогенной защиты ризосферы, включают новую функцию снижения газообразных потерь углерода в атмосферу, аккумуляции CO2 в почве и перевода в почвенный раствор с последующим закреплением на искусственных биоинженерных структурно-почвенных, геохимических барьерах. На 2 этапе проекта были получены следующие наиболее значимые результаты. Совместно с зарубежными специалистами был подготовлен и опубликован в рейтинговом издании (Sci. Total Environ. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170529) аналитический обзор современных технологий почвенного конструирования для аридных почвенно-климатических условий, центральную позицию в котором заняли разработки авторского коллектива Проекта по слоистым почвенным конструкциям с противосолевыми экранами и российскими почвомодификаторами с функцией водопоглощения, позволяющие эффективно решать наиболее важные для аридного поливного земледелия и ландскейпинга проблемы экономии поливной влаги и защиты корнеобитаемой толщи от вторичного засоления. В связи с определяющим фитопродуктивность и секвестрирование углерода фактором водного режима почв и почвенных конструкций для лесопосадок были разработаны физически-обоснованные модели термодинамических кривых водоудерживания и их композиций с влагоемкими материалами-почвомодификаторами (публикации в академических переводных журналах Почвоведение (ESS) https://doi.org/10.1134/S1064229324600234 и Вестник МГУ (BSSM) https://doi.org/10.3103/S0147687424700388). В этих разработках впервые удалось описать кривые водоудерживания во всем диапазоне от условно нулевой влажности (сушка при 105 °C) до водонасыщения (заполнения всех пор водой) на основе теорий капиллярности и расклинивающего давления воды, сняв проблему сингулярности кривых в области низкой влажности, присущую стандартной модели ван-Генухтена и большинству известных эмпирических моделей водоудерживания в пористых средах. Новые фундаментальные модели не только лучше описывают кривые водоудерживания, но и позволяют оценить по ним базовые для концепции физического качества почвы показатели дисперсности твердой фазы и ее поверхностной энергии водоудерживания, констант Гамакера для взаимодействия жидкой и твердой фаз, эффективной дебаевской толщины двойного электрического слоя, распределений пор по размерам и точки их экстремума, ассоциированной с состоянием наименьшей (полевой) влагоемкости. Дополнительно на базе предложенных фундаментальных разработок решены методически важные для Проекта задачи оценки дисперсности почв и полимерных материалов по их гигроскопичности (публикации в журналах Polymers https://doi.org/10.3390/polym16050593 и Вестник МГУ (BSSM) https://doi.org/10.3103/S014768742470011X) и кондуктометрической оценки засоления почвенных суспензий, включая сильно-засоленные аридные почвы (публикации в журналах J. Saudi Soc. Agric. https://doi.org/10.1016/j.jssos.2023.12.005, Аридные экосистемы (Arid Ecosystems) https://doi.org/ 10.24412/1993-3916-2024-1-31-44, https:doi.org/10.1134/S2079096124010141). Важным достижением 2 этапа Проекта стало получение опытных образцов гель-формирующих почвенных кондиционеров с функцией поглотителей (геттеров) СО2 и результаты их лабораторного тестирования, выявившие высокие показатели абсорбции СО2 (константы Генри до 600 единиц и более) при сохранении свойств водных суперабсорбентов с предельным водопоглощением 800-1200 г/г в дистиллированной воде и до 200-300 г/г в растворах с минерализацией 1-2 г/л, что позволяет использовать эти материалы в аридных почвах с природным засолением. Подготовленные совместно с Партнером (КФУ) по результатам 2/3D компьютерного почвенного дизайна варианты почвенных конструкций были реализованы на экспериментальных площадках ИЛАН РАН с организацией экомониторинга С-потоков, водного режима и контролирующих метеофакторов. Впервые были разработаны и успешно применены динамические камеры со встроенными NDIR-логгерами СО2 и импульсной продувкой атмосферным воздухом для полностью автоматических измерений дыхания почвы, темнового дыхания ветвей и их нетто-фотосинтетического газообмена на свету с частотою измерений СО2 раз в минуту. По результатам обычного (периодического) ручного и нового высокочастотного мониторинга С-потоков на почвенных конструкциях с посадками древесной растительности при естественных осадках и орошении подтверждены проектируемые на стадии интеллектуального компьютерного дизайна показатели эффективности новой технологии: более высокие приросты и депонирование углерода, экономия поливной влаги при сокращении непродуктивных потерь на глубинный внутрипочвенный отток влаги, снижение эмиссионных потерь СО2 в атмосферу при дыхании почвы и растений под воздействием инновационных гель-формирующих почвомодификаторов с биоцидами (ионы серебра, синтетический фунгицид) и СО2-геттерами. Подготовлены и изданы 11 научных публикаций, в том числе 4 в журналах Sci Total Environ, Polymers, J. Saudi Soc. Agric. Sci., AWR, входящих в первый квартиль (Q1) по SJR. Сделаны 9 гласных (пленарные, приглашенные, секционные) докладов на международных научных конференциях, включая IX съезд Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Казань, 12-16 августа 2024 г.) и 2-ую международную конференцию по Управлению водными ресурсами и устойчивому развитию в Дубаи (2nd International Conference Water Resources Management and Sustainability: Solutions for Arid regions, Dubai, UAE University, United Arab Emirates, February 26-28, 2024).

Публикации

29. Смагин А.В. Disjoining pressure model for the entire soil water retention curve Catena, 254 (2025) 108909 (год публикации - 2025)
10.1016/j.catena.2025.108909

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Междисциплинарный Проект направлен на решение задач по разработке эффективных биогеоинженерных технологий, обеспечивающих депонирование углерода в процессе лесоразведения и лесовосстановления и методологии количественной оценки углеродного баланса насаждений объединенными на базе ИЛАН РАН и КФУ специалистами биологических, физико-математических, химико-технологических и геоинженерных наук. В нем впервые для РФ предлагается использовать интеллектуальный почвенный дизайн на базе компьютерного 2/3D моделирования энергомассообмена распределенной динамической системы «почва-материал-растение-атмосфра» для поиска оптимальных технологических решений по составу, дозам, глубинам расположения почвенных кондиционеров при посадке лесных культур, обеспечивающих их высокую приживаемость, продуктивность и максимальное суммарное секвестрирование углерода в растущем древостое и почве. Создаваемые и используемые с этой целью композитные материалы, наряду с обычными для почвенных кондиционеров функциями улучшения водного режима, агрохимических свойств почвы, включают снижение газообразных потерь углерода в атмосферу, аккумуляции CO2 в почве и перевода в почвенный раствор с последующим закреплением на структурно-почвенных, геохимических барьерах. На З этапе проекта были получены следующие наиболее значимые результаты. На базе высокочастотного (раз в час) автоматизированного мониторинга углеродного газообмена почвы и растения с атмосферой разработана и успешно апробирована системно важная для целей Проекта по карбоновой секвестрации методология количественной оценки локального углеродного баланса элемента зеленой инфраструктуры (статья в ж. Почвоведение (Eurasian Soil Science, DOI:10.1134/S1064229324603639). В отличие от имеющихся аналогов, эта методология репрезентативно учитывает суточную и сезонную динамику углеродного баланса древесного насаждения и его отдельных составляющих (дыхания почвы с разделением на автотрофную и гетеротрофную составляющие, фотосинтеза и дыхания растения). Обнаружен и исследован феномен фотосинтетической активности вечнозеленых древесных пород (сосна обыкновенная, ель европейская, ель голубая) в холодное время года с ноября по март включительно, когда другие деревья не имеют такой возможности из-за отсутствия листвы. Основной вклад (порядка 50%) в фотосинтез, дыхание ветвей и почвы приходится на летние месяцы, тогда как вклад холодного сезона с ноября по март обычно не превышает 10-15% с активизацией в зимние оттепели с положительной среднесуточной температурой. Вместе с тем температура, влажность и иные климатические параметры контролируют немногим более половины наблюдаемой дисперсии данных при высокочастотной оценке газообмена почв и растительности с атмосферой. Также в суточном и сезонном циклах наблюдаются сильные иррегулярные колебания углеродных газовых потоков, соотношения гетеротрофного и автотрофного дыхания почвы, знака углеродного баланса (источник или сток углерода), что ставит под сомнение точность и правильность традиционных оценок углеродного баланса по спорадическим измерениям с их температурной интерполяцией на большие периоды. Природа такой колебательной динамики, по-видимому, лежит в самоорганизации системы «биоценоз-почва» с нелинейными внутренними связями, определяющими эндогенные колебательные и триггерные режимы этих систем. Триггерная реакция роста и продуктивности долинных сосновых экосистем на аккумуляцию органического углерода, как материального агента плодородия и водоудерживающей способности почвы, была описана нелинейной динамической моделью с переменными запасов фитомассы, детрита и гумуса почвы (статья в ж. Forests, DOI:10.3390/f16091482). Количественно изучены параметры кинетики сезонного поступления опада, минерализации и гумификации органического вещества почвы, прироста древостоя и водоудерживающей способности почв в связи с аккумуляцией органического углерода, необходимые для верификации модели и оценки критических запасов фитомассы саженцев и почвенного органического вещества, технологически важных для лесоразведения с гарантией долгосрочной секвестрацией углерода в процессе широко распространенных сукцессий на песках с переходом от простых сосняков к сложным хвойно-широколиственным сообществам, сопровождающимся 1,5-2 кратной акселерацией биологического круговорота и депонированием углерода. Начатая в Проекте системно-важная тема моделирования водоудерживающей способности почв разного генезиса и дисперсности завершена публикацией в рейтинговых изданиях двух физически-обоснованных моделей водоудерживания во всем диапазоне влажности почвы, включая малоисследованную и важную для аридного поливного земледелия область низкого содержания влаги, где большинство известных моделей были неадекватны (Soil Sci. Soc. Am. J., DOI:10.1002/saj2.70054; Catena DOI:10.1016/j.catena.2025.108909). Продолжен поиск оптимальных технологических решений на базе компьютерного HYDRUS-2/3D дизайна почвенных конструкций под древесные насаждения с капиллярными барьерами их влагоаккумулирующих природных (торф) и синтетических композитных материалов, а также системами экономного полива, включая субирригацию (статьи в ж. Advances in Water Resources, DOI: 10.1016/j.advwatres.2025.104917, DOI:10.1007/s40808-025-02301-6). Проверка спроектированных на этой основе конструктоземов в условиях естественных осадков и орошения с саженцами древесных культур выявила высокую эффективность слоистых органических барьеров, приводящих к 1,5-2-кратному и выше приросту запасов продуктивной влаги, сокращению непродуктивных водных потерь из ризосферы на инфильтрацию, к пролонгации до 2 раз и более продуктивного корневого водопотребления или аналогичной экономии поливной влаги в случае ирригации, увеличению всхожести семян, приживаемости саженцев и их прироста по сравнению с необработанным контролем. При близких показателях оптимизации водного режима и баланса для торфяных и гель-формирующих почвомодификаторов, высокочастотная оценка углеродного баланса четко выявила преимущество инновационных гелевых композитов с биоцидными добавками и/или геттерами диоксида углерода, поскольку их использование гарантировало секвестрацию углерода почвой и саженцем, снижая эмиссию СО2 и повышая его автотрофную компоненту наряду с переводом в растворенный неорганический углерод почвенного стока. Вторым явным преимуществом новых композитов является их малые рабочие дозы (0,1-0,3% от массы почвы) на фоне 100% для торфяных слоев, что важно при учете расходов на логистику. Все эти материалы разработаны и запатентованы авторским коллективом, причем один из супперабсорбентных композитов, содержащий фунгицидные добавки, получил патентную защиту в период реализации Междисциплинарного Проекта (Патент на изобретение RU № 2835939 от 30.10.2023; дата Госрегистрации 06.03.2025).

Публикации

29. Смагин А.В. Disjoining pressure model for the entire soil water retention curve Catena, 254 (2025) 108909 (год публикации - 2025)
10.1016/j.catena.2025.108909