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 25-17-00054
НазваниеПриродоподобные и антропогенные технологии для аккумулирования стабильных форм углерода в лесных почвах
Руководитель Дымов Алексей Александрович, Доктор биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук" , Республика Коми
Конкурс №104 - Конкурс 2025 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 леса, пожары, почвенное органическое вещество, пирогенное органическое вещество, углеродный баланс, депонирование углерода, археологическое почвоведение
Код ГРНТИ68.05.43
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Предлагаемый проект нацелен на теоретическое обоснование использования пирогенного углерода в качестве депонирующей формы элемента в лесных почвах, с учетом различных технологий землепользования.
Объект исследования - лесные почвы, подвергшиеся пирогенному воздействию в течении голоцена и в современное время на северо-востоке Европейской части России.
Фундаментальность исследования заключается в детальном исследовании различных компонентов лесных экосистем, выявлении взаимосвязей, прогнозировании изменений компонентов среды и возможности аппроксимации полученных данных на схожие объекты.
Пожары – ведущий фактор трансформации современных наземных экосистем планеты. Следы пирогенного воздействия распространены повсеместно и сохраняются в почвах длительное время, но до сих пор отсутствует их систематизация. Представленный проект основывается на комплексных междисциплинарных исследованиях ранее неизученных аспектов поступления пирогенного углерода в почвы.
В рамках выполнения проекта планируется:
- выявление сохранности признаков пирогенных событий в почвах, подвергнувшихся воздействию теплотехнических устройств на территории углежогных промыслов XVII-XIX веков;
- оценка последствий огневой очистки лесосек, широко применявшейся в регионе в середине XX века;
- изучение влияния подсечно-огневого земледелия на состав органического вещества и свойства почв;
- оценка запасов углерода в почвах заболоченных лесов, предположительно характеризующихся одними из наиболее высоких значений почвенных запасов углерода в регионе;
- проведение модельного полевого эксперимента, нацеленного на проверку гипотезы о постпирогенном залповом эффекте выноса продуктов пирогенеза в составе лизиметрических вод;
- оценка возможностей секвестрирования углерода в почвах при различных типах хозяйствования и пирогенной истории ландшафтов.
Фундаментальная проблема данного проекта нацелена на реализацию Приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ «Рациональное природопользование» и Критической технологии «Мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения» и отвечает требованиям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации в рамках исследований области понимания процессов, происходящих в обществе и природе, развития природоподобных технологий, человеко-машинных систем, управления климатом и экосистемами, а также исследования, связанные с этическими аспектами технологического развития, изменениями социальных, политических и экономических отношений. Направление проекта соответствует современной государственной научно-технической политике в области экономического развития, в соответствии с указом Министерства природных ресурсов российской Федерации № 371 от 27.05.2022 г, который ориентирует на ограничение выбросов, утверждение методик определения объемов выбросов и поглощений парниковых газов.
Ожидаемые результаты
В результате проведения комплексных работ будут получены уникальные данные, меняющие устоявшееся в России представление о составе почвенного органического вещества лесных почв.
Предполагается, что полученные результаты позволят сформулировать новую концепцию состава органического вещества лесных почв с учетом пирогенной истории ландшафтов. Результаты проекта могут создать предпосылки для дальнейшего развития новой научной тематики на уровне, соответствующем передовым разработкам в данной области исследований или не имеющих аналогов в мире в области управления составом органического вещества почв. Ожидаем, что синергетический эффект почвенных, археологических, лесоводческих и химических знаний позволит выявить новые социально-значимые механизмы секвестрирования и длительного депонирования соединений углерода в почвах.
Отличительной особенностью данного проекта является междисциплинарность в изучении свойств и сохранности исследуемых компонентов: от исторических аспектов до молекулярного уровня отдельных соединений.
Применение современных методов химического и физического анализа позволит выявить механизмы взаимодействия пирогенного углерода и минеральных горизонтов почв, оценить особенности изменения структуры пирогенно-модифицированных соединений в ходе эволюции и развития экосистем бореальных лесов. Будут выявлены закономерности поведения различных соединений образующихся при огневом воздействии в условиях европейского Севера.
Оценка сохранности и трансформации соединений углерода в ходе применения различных технологий землепользования с использованием огня (огневая очистка лесосек, подсечно-огневое земледелие, промысловые объекты углежжения; модельные выжигания) позволит оценить наиболее успешные подходы для депонирования наиболее стабильных форм углерода в почвах лесных ландшафтов. Полученные результаты проекта позволят выявить роль периодически повторяющихся пожаров на стабильность важнейшего пула углерода экосистем. Предполагается, что будут выявлены пирогенные и непирогенные пути гумусообразования широкого ряда исследуемых почв.
Применение в проекте классических, современных и инновационных методов позволит получить новые знания о составе почвенного органического вещества, возможных механизмах депонирования углерода, и взаимодействия с минеральной составляющей почв. Изучение современного состояния, наиболее богатых пирогенным органическим веществом почв, позволит определить новые закономерности и механизмы, которые могут быть использованы в направлениях углерод-нейтральных технологий различных видов хозяйственной деятельности на территории Российской Федерации. Результаты проекта могут быть интегрированы в технологические циклы для развития новых или уже существующих технологий и наукоёмких производств.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В первый год выполнения проекта проводили исследование торфяных олиготрофных почв и почв углежогных производств. Детальное исследование торфяных олиготрофных почв проведено на участках, расположенных на Тиманском кряже, Вычегодско-Мезенской равнине и Северных увалах. Залесенное болото на участке ТП–I расположено в подзоне северной тайги, высота над уровнем моря 114 м (Печорский район, Зеленоборск). Болото на участке ТП–II расположено в центральной части подзоны средней тайги , Сыктывдинский район, окрестности Максимовского стационара Института биологии Коми НЦ УрО. Участок ТП–III расположен в южной части средней тайги , Койгородский район, рядом с. Нючпас. Исследуемый участок ТП–I представлен сосново-ерниково-сфагновой ассоциацией, тогда как участки ТП–II и ТП–III относятся к сосново-кустарничково-сфагновой ассоциации.
Согласно полученным данным выявлено, что болото ТП–I подвергалось 5 локальным пирогенным событиям. Показано, что скорость аккумуляции макрочастиц угля была высокой на этапе формирования торфяника. Тогда же прошли два локальных пожара. После, в период 4500–2000 кал. л. н. установлена низкая скорость аккумуляции макрочастиц и пирогенной динамики в целом. Ближе к современному времени пирогенная активность повысилась, выявлено три пожара локального уровня.
Для болота ТП–II характерна высокая скорость аккумуляция пирогенных частиц во время оптимума голоцена. В этот период зафиксировано три локальных пожара, затронувших болото. В последующий за климатическим оптимумом период (суббореальный) отмечается более активная динамика пожаров, установлено три локальных пожара. Не характерная для наиболее холодного и влажного периода голоцена пирогенная динамика вероятнее всего явилась следствием освоения данной территории человеком. В последующем зафиксировано постепенное умеренное снижение интенсивности пирогенных событий с последующей реактивацией пожарной активности в интервал, приближенный к современным условиям, что, по всей вероятности, обусловлено сочетанием климатических колебаний и антропогенного фактора. Именно для этого периода характерна наибольшая скорость аккумуляции частиц угля в торфянике. Причиной, столь резкого повышения скорости аккумуляции макроскопических частиц угля вероятнее всего является близкое расположение населенного пункта.
Болото ТП–III или ее близлежащие территории подвергалось пяти пожарам локального масштаба, три из которых прошли в период 5000–2000 кал. л. н. При этом скорость аккумуляции была ниже, чем в последующий (с 2000 кал. л. н. до настоящего времени) период. Высокие концентрации макрочастиц в близкое к сегодняшнему времени, вероятнее всего, связаны с активизацией частоты и интенсивности пожаров. Вероятно, сыграло роль близкое географическое расположение исследуемой территории к углежоговой и металлургической промышленностям.
Все три исследованных участка представляют собой залесенные болота с плотным торфом, что является ключевым фактором, обуславливающим высокие показатели накопления органического углерода. Общий запас углерода на участке ТП–I составил 66.6 кг м⁻², что представляет собой значительный и долгосрочный резервуар его депонирования. Запас в торфяных горизонтах на участке ТП-II составил 83.1 кг м-2. Общий запас углерода для участка ТП –III равняется 66.5 кг м-2.
Выявлено, что максимальная доля ароматических структур, идентифицированных методом твердофазной ЯМР спектроскопии, совпадают горизонтами с высокой концентрацией пирогенно трансформированных остатков.
Исследование углежогов.
Было исследовано три локации углежогов. Углежог № 1 располагался рядом с пос. Седкыркещ (Сыктывдинский район). Объект № 2 был исследован в окрестностях пос. Нювчим (Сыктывдинский район). Серия объектов № 3 находились в урочище Ныдыб, рядом с пос. Кажим (Койгородский р-он). На исследуемых участках формируются сосновые приспевающие фитоценозы со средним возрастом 80 (Нювчим), 102 (Ныдыб) и 120 лет (Седкыркещ). Объект № 1 представлен углежогом бытового использования, объекты №№ 2 и 3 представляют промышленные объекты углежжения.
На бытовых углежогах производили уголь, преимущественно используемый в хозяйстве, например, для кузниц, утюгов, самоваров и других повседневных нужд. Промышленные углежоги обеспечивали на северо-востоке Европы функционирование Кажимского (1759-1928, 1942-45 гг.), Нючпасского (1759-1926 гг.) и Нювчимского (1761-1996 гг.) заводов по переработке болотных руд или чугуна. Учитывая используемые объемы заготовки угля, можно предположить что его производство явилось одним из первых крупных промышленных факторов трансформации лесных экосистем в бореальной зоне.
Объекты углежогного промысла, нацеленного на производство угля для железоделательных заводов, как правило, занимают большую площадь, расположены системно. Плотность выявленных объектов на обследованных участках Нювчим и Ныдыб составляет соответственно 1.4 и 1.1 объект на гектар.
Площади объектов на обоих участках колеблются от 66 до 229.4 кв. м, от 37.9 до 218 кв. м с медианными значениями 136.9 и 160 кв. м., соответственно. Общим морфологическим свойством исследуемых почв было сохранение мощного горизонта с преобладанием углистых частиц, угля и продуктов частичного пиролиза древесины. Мощность пирогенного горизонта (PYR) была максимальной (20-50 см) в центре исследуемых конструкции и уменьшалась к периферии, достигая на окраине углежогов 5-7 см. Пирогенные горизонты часто имели прослойки песчаного материала, вероятно, в связи с использованием песчаных отложения для экранирования зоны тления от прямого доступа кислорода воздуха. Нижележащие минеральные горизонты представлены песчаными горизонтами (BF, BC) характерными для нижних горизонтов иллювиально-железистых подзолов. Максимальные запасы углерода и азота были выявлены для почв промышленных углежогов Нювчим. В них аккумулируется от 68.9 до 82.5 кг/м2 углерода и от 0.86 до 1.04 кг/м2 азота. В почвах объекта № 3 (Ныдыб) запасы углерода достигают 78.3 кгС/м2, а запасы азота - до 0.97 кг N/м2.
Показано, что общий объем пирогенных отложений может составлять от 72 до 105 куб. м на гектар. Фактически эти промышленные, ранее не исследованные объекты выполняют функцию природных «ловушек» для углерода и характеризуются одними из наиболее значительных запасов PyC в почвах региона.
Таким образом, полученные высокие значения запасов углерода в почвах углежогных производств подтверждают гипотезу о долговременной аккумуляции пирогенного углерода в почвах. Углерод, законсервированный в почвах углежогов, сохраняется длительное время.
Публикации
1. Арзубов П.А., Горбач Н.М., Осипов А.Ф., Дымов А.А. Эмиссия углекислого газа с поверхности почв вторичных сообществ в средней тайге Республики Коми Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025., Арзубов П.А., Горбач Н.М., Осипов А.Ф., Дымов А.А. Эмиссия углекислого газа с поверхности почв вторичных сообществ в средней тайге Республики Коми // Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025. С. 13-14. – ISBN 978-5-6052145-6-4. 1 CD-ROM. (год публикации - 2025)
2. Дымов А.А., Старцев В.В., Кутявин И.Н., Дубровский Ю.А., Осипов А.Ф., Горбач Н.М.,Паюсова И.В., Арзубов П.А., Вахрушев Л.А., Яковлева Е.В., Карманов В.Н., Мазур А.С. Результаты применения междисциплинарного подхода в современных исследованиях почв на европейском Севере России Материалы общего собрания Уральского отделения Российской академии наук «Уральское отделение РАН в решении актуальных проблем научно-технологического развития Российской Федерации». Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2025. , Дымов А.А., Старцев В.В., Кутявин И.Н., Дубровский Ю.А., Осипов А.Ф., Горбач Н.М.,Паюсова И.В., Арзубов П.А., Вахрушев Л.А., Яковлева Е.В., Карманов В.Н., Мазур А.С. Результаты применения междисциплинарного подхода в современных исследованиях почв на европейском Севере России // Материалы общего собрания Уральского отделения Российской академии наук «Уральское отделение РАН в решении актуальных проблем научно-технологического развития Российской Федерации». Екатеринбург, 2025. С. 71-78. (год публикации - 2025)
3. Дымов А.А., Вахрушев Л.А., Карманов В.Н. Влияние изготовления древесного угля на почвы средней тайги Республики Коми Материалы IV Научно-практической конференции «Проблемы и состояние почв городских и лесных экосистем». Санкт-Петербург: СПбГЛТУ, 2025. С. 6-9., Дымов А.А., Вахрушев Л.А., Карманов В.Н. Влияние изготовления древесного угля на почвы средней тайги Республики Коми // Материалы IV Научно-практической конференции «Проблемы и состояние почв городских и лесных экосистем». Санкт-Петербург, 2025. С. 6-9. (год публикации - 2025)
4.
Горбач Н.М., Старцев В.В., Яковлева Е.В., Мазур А.С., Дымов А.А.
Pyrogenic Transformation and Carbon Sequestration in Forested Bog Soils of the Middle Taiga in Northeastern European Russia
Soil Systems, Gorbach, N. M., Startsev, V. V., Yakovleva, E. V., Mazur, A. S., & Dymov, A. A. (2025). Pyrogenic Transformation and Carbon Sequestration in Forested Bog Soils of the Middle Taiga in Northeastern European Russia. Soil Systems, 9(3), 74. https://doi.org/10.3390/soilsystems9030074 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.3390/soilsystems9030074
5.
Арзубов П.А., Осипов А.Ф., Дымов А.А.
Impact of Fires in Boreal Forests on Carbon Dioxide Emissions from Soil Surfaces (Review)
Eurasian Soil Science, Arzubov, P. A. Impact of Fires in Boreal Forests on Carbon Dioxide Emissions from Soil Surfaces (Review) / P. A. Arzubov, A. F. Osipov, A. A. Dymov // Eurasian Soil Science. – 2025. – Vol. 58, No. 11. – P. 1-15. – DOI 10.1134/S1064229325601842. – EDN KVVVDZ. (год публикации - 2025)
10.1134/S1064229325601842
6. Горбач Н.М., Старцев В.В., Яковлева Е.В., Мазур А.С., Дымов А.А. Пирогенная трансформация и секвестраций углерода в лесоболотных ландшафтах средней тайги Республики Коми Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025. , Горбач Н.М., Старцев В.В., Яковлева Е.В., Мазур А.С., Дымов А.А. Пирогенная трансформация и секвестраций углерода в лесоболотных ландшафтах средней тайги Республики Коми //Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025. С. 43-44. – ISBN 978-5-6052145-6-4. 1 CD-ROM. (год публикации - 2025)
7. Паюсова И.В., Груздев И.В., Старцев В.В., Горбач Н.М., Дымов А.А. Влияние беглых низовых пожаров на свойства и состав органического вещества почв северотаежных сосняков лишайниковых Республики Коми Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025., Паюсова И.В., Груздев И.В., Старцев В.В., Горбач Н.М., Дымов А.А. Влияние беглых низовых пожаров на свойства и состав органического вещества почв северотаежных сосняков лишайниковых Республики Коми // Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025. С. 114-115. – ISBN 978-5-6052145-6-4. 1 CD-ROM. (год публикации - 2025)
8. Дымов А.А., Горбач Н.М., Вахрушев Л.А., Карманов В.Н. «Белые пятна» при оценке пирогенного воздействия на лесные почвы Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025., Дымов А.А., Горбач Н.М., Вахрушев Л.А., Карманов В.Н. «Белые пятна» при оценке пирогенного воздействия на лесные почвы // Материалы XI Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти Николая Васильевича Орловского (1899—1986 г.г.). Красноярск, 29 сентября – 03 октября 2025 г. "Экологические функции лесных почв и биоразнообразие лесов". Красноярск: ИЛ СО РАН, 2025. С. 56-58. – ISBN 978-5-6052145-6-4. 1 CD-ROM. (год публикации - 2025)