Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управленияНИР

Physical bases of ecological functions of soils: technologies of monitoring, forecasting and management

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Физические аспекты структурно-функциональной организации почв на разных уровнях ее исследования
Результаты этапа: Для научно-обоснованного управления и оптимизации физических свойств и процессов в почвах проведены теоретические, методические и экспериментальные исследования структурно-функциональной организации почв на разных ее иерархических уровнях. Узловым моментом генезиса агрегатов является формирование гидрофобной/гидрофильной поверхности минеральных ЭПЧ в результате их взаимодействия с органическими соединениями. Разработана и апробирована системная методология изучения биохимического круговорота продуктов окисления лигнина в основных типах почв, в том числе и почв сельскохозяйственного использования. Определена роль свободных форм оксидов железа и амфифильных компонентов гумусовых веществ (ГВ) на значение краевого угла твердой фазы чернозема и ферраллитной почвы. Разработана и апробирована на экспериментальном и литературном материале новая физически-обоснованная модель капиллярного подъема в полидисперсных пористых средах, развивающая классическое уравнение Жюрена, посредством учета контролирующих высоту капиллярного подъема факторов дисперсности (удельной поверхности скелетной части почвы с оригинальными алгоритмами ее оценки по гранулометрическим распределениям частиц), плотности сложения почвы и ее твердой фазы, содержания прочносвязанной адсорбированной воды и смачиваемости. На основе модели предложен инженерный расчет капиллярных эффектов и величин влагоемкости (водоудерживающей способности) в специальных почвенных конструкциях с капиллярными барьерами для аккумуляции воды и блокирования вторичного засоления (техногенного загрязнения) плодородного слоя. Показана ключевая роль физических свойств почвы, (гранулометрический состав и тип водного режима) в накоплении и перераспределении тяжелых металлов, а также ядохимикатов, в почвенном профиле. В почвах с промывным водным режимом наиболее развиты процессы самоочищения почв. Проведена оценка метаногенного потенциала микробного сообщества в строго контролируемых условиях с использованием метода инкубации образцов почвы для определения продукции метана в лабораторных условиях. Установлено, что в условиях развития эрозионных процессов и процессов оглеения снижение кадастровой стоимости может достигать 40% и 63% соответственно, а в условиях солонцеватости 60%. Изучено влияния загрязнения стронция-90 на кадастровую стоимость почв Уральского Федерального округа (УФО). В рамках инженерного почвоведения обоснован метод применения ВЭЗ как альтернативный для исследования почвенно-грунтовых разрезов и детального разделения почвенно-грунтовой толщи на микрослои.
2 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Теоретические и экспериментально-методические исследования структуры почв во взаимосвязи с функциональной организацией поверхности твердой фазы почв и порового пространства
Результаты этапа: Исследования органического вещества и свойств поверхностности темно-гумусовой остаточно-гидроморфной лесной почвы Костромской области показали, что содержание органического вещества в гумусовом горизонте темногумусовой почвы, в 3-4 раза превышает его суммарное содержание в автоморфных почвах южно-таежной подзоны, и приводит к значительному увеличению гидрофобности верхнего горизонта темногумусовой почвы по сравнению с зональной дерново-подзолистой почвой, определяет значительно более низкую величину внешней удельной поверхности органогенного горизонта темно-гумусовой почвы по сравнению с дерново-подзолистой, и соответственно более высокую агрегированность почв. Исследования особенностей структурной организации и физических свойств зональных и городских почв при разной степени антропогенной нагрузки, показали, что рассмотренные урбаноземы характеризуются более высокими показателями: содержанием углерода, содержанием крупных гранулометрических фракций, водоустойчивостью структуры, и способностью почвы выдерживать более высокие деформации без разрушения структурных связей. Большой вклад в сорбционные характеристики почв оказывают органические пленки, способные «сглаживать» рельеф поверхности минеральной твердой фазы. Обнаружена четкая взаимосвязь геометрии поверхности твердой фазы почв, ее структурных характеристик с функциональной способностью почв сорбировать на своей поверхности влагу и вещества, устойчивости к механическому воздействию вне зависимости от генезиса почв и степени антропогенного воздействия на нее. Исследование структуры порового пространства и микробного сообщества в консорциуме «почва-растения-микроорганизмы» в почвах модельного семенного ложа ячменя показало, что в процессе эксперимента происходит взаимообусловленное изменение биотических и абиотических компонентов системы «почва – растения – микроорганизмы», выделяются определенные стадии их развития, связанные с динамикой распределения объемов почвенных пор по размерам, объемов корней разного диаметра, составом микробиологического сообщества и его численностью. Отмечено, что к 7-м суткам происходит перераспределение диаметров корней – в этот период появляются наиболее тонкие корни; меняется характер распределения пор; изменяется численность микроорганизмов – достигает пика и позже снижается. Этапность функционирования системы «почва – растения – микроорганизмы» обусловлена взаимосвязанными изменениями во всех трех составляющих системы, взаимно контролирующих и участвующих в формировании всего консорциума. Полученные результаты необходимы для разработки инженерных агросистем, которые основываются на понимании природных взаимодействий, а существующая на сегодняшний день проблема масштабирования ставит вопросы о возможности применения экспериментальных результатов данного исследования в условиях сельскохозяйственного производства, в масштабах поля. Эколого-гидрологический подход, основанный на анализе водного режима и продуктивности растений на серых почвах разной степени гидроморфизма дополнен показателями структурного состояния почв и водно-физических свойств светло-серых оглеенных почв под влиянием нарастающего (в пространстве) гидроморфизма. Раскрыта роль порового пространства на формирование фильтрации почв и анизотропизм Кф этих почв. Метод компьютерной томографии в ортштейнах агросерых оглеенных почв за счет высокого разрешения сканирования позволил обнаружить отчетливый центр концентрирования и хорошо выраженные кольца нарастания колоний микроорганизмов в мелких фракциях (1–3 мм) ортштейнов, их концентрически-тонкослоеватое сложение, а также получить количественные геометрические характеристики. Работы, проведенные по исследованию температурного фактора основной гидрофизической характеристики почвы как показателя ее поверхностных межфазных взаимодействий и структурно-функциональной организации, показали отсутствие статистически-значимого влияния температурного фактора. Полученные результаты имеют важное практическое значение для моделирования энерго-массообмена в почвах и грунтах на базе стандартной модели Ричардса без необходимости учета влияния температуры на ОГХ, не зависимо от амплитуд температурных колебаний в циклической или направленной динамике температурного режима почвы. Полученные результаты по термодинамической оценке гигроскопичности гель-формирующих почвенных кондиционеров имеют значимость для их практического применения, в частности, – научно-обоснованного точного расчета доз таких материалов для улучшения водоудерживания и экономии водных ресурсов в устойчивом поливном земледелии или городском лэндскейпинге. Исследование физических свойств почв Южного Берега Крыма показало, что в тяжелосуглинистых и легкоглинистых коричневых почвах под парковыми насаждениями интродуцированных субтропических растений выявлены тесная корреляционная связь и прямолинейные регрессионные зависимости между осадками, полевой влагоемкостью почв, их влажностью завядания, диапазоном продуктивной влаги (равным разности между полевой влагоемкостью почв и влажностью завядания) и запасами продуктивной влаги в почвах. Исследование и аналитическое сравнение экспериментальных и расчетных концентраций в почве и водном стоке умеренно подвижного и умеренно стойкого инсектицида циантранилипрола дает возможность оценить и предсказывать его миграцию в слоистой среднесуглинистой почве. Оценка экологических рисков при загрязнении и миграции пестицидов и тяжелых металлов с помощью прогнозно-расчетных моделей показала, что предсказательная и оценочная способности модели были невысоки. При калибровке параметров разложения пестицида, а также показателей дисперсности и движения влаги и растворов между микро- и макропорами точность прогноза, согласно статистическим показателям, возросла. Однако увеличение скорости движения пестицида в ранний период приводило к превышению прогнозных концентраций через 1 год и позже, а приведение в соответствие средних значений концентраций на длительном промежутке времени занижало вынос токсикантов в первое время после внесения. Для решения некоторых прикладных задач настройка модели за счёт калибровки параметров является инструментом, позволяющим корректировать объемы лизиметрического стока. А так как движение пестицидов в почве происходит в основном с потоками воды, то качественная настройка водного блока модели является залогом точного прогноза миграции веществ по профилю почвы, но для целей развития метода математического моделирования в экологической оценке пестицидов необходимо создание стандартных сценариев для моделей. С этой целью определено физическое обеспечение для модели миграции пестицидов PEARL6 в виде сценариев почвенных свойств для моделей миграции пестицидов и агрохимикатов основных сельскохозяйственных регионов Республики Беларусь. Сценарии будут использоваться в процедуре оценки экологического риска действующих веществ пестицидов при государственной регистрации препаратов на территории страны. Исследование влияния турбирующей деятельности муравьев и изменение ими свойств поверхности почвенных частиц, показало изменение многих параметров твёрдой фазы (в первую очередь, гранулометрического состава, порового пространства, плотности почвы), и как следствие изменение влагопроводящих свойств (коэффициента впитывания), водного и теплового режимов. Моделирование бюджета метана в болоте для оценки его транспорта в грунтовые воды показало, что потенциальный выход метана из болота может быть в грунтовые воды. Был рассмотрен метановый бюджет верхового болота Мухрино (расположенного в средней тайге Западной Сибири), чтобы определить: какое количество метана потенциально может поступать из болота в грунтовые воды. При этом учитывались все известные компоненты газового бюджета болота: образование и окисление СН4 в толще торфа, эмиссия с поверхности в атмосферу, аккумуляция в газовой фазе почвы, а также вынос метана, как растворенного в воде, так и в виде газированной жидкости. Разница между положительной (продукция) и отрицательными (окисление + эмиссия) статьями бюджета метана составила весьма большую величину: 25 мг/(м2*час), что соответствует 70% образующегося метана, что вполне объясняет наблюдаемый выход метана в газовых сипах пойм сибирских рек. Проведенное агроклиматическое зонирование территории полуострова Крым, показало, что величина АП колеблется от 5.9 до 9.6. Максимальные показатели отмечены для Южного берега Крыма и города Севастополь, минимальные – для территории Присивашской низменности. Была составлена карта агроклиматического оценочного зонирования для территории полуострова. Были выделены наиболее распространенные почвы для каждого административного района и городского совета, и произведен расчет нормативной урожайности и удельных показателей кадастровой стоимости. Мультимасштабное почвенно-ландшафтное картографирование для мониторинга физических свойств предполагает системный подход к картографированию почв, что позволяет создавать мультимасштабные почвенно-ландшафтные карты, принципиально отличающиеся тематическим содержанием от карт такого же рода, существующих в настоящее время. Такие карты отражают связь между почвенными свойствами и условиями почвообразования на системной основе и поэтому могут существенно повысить качество мониторинга, прогноза и управления почвенными свойствами, в том числе физическими.
3 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. Физические механизмы устойчивости и деградации почв и почвенных конструкций
Результаты этапа: Этап З НИР "Физические механизмы устойчивости и деградации почв и почвенных конструкций" по теме Госзадания «Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления» характеризовался широким масштабом и междисциплинарным характером исследований с рядом инновационных методологических подходов и разработок, позволивших на количественном уровне осуществить оценку влияния физических свойств и процессов на функционирование, устойчивость и деградацию почвенных объектов, а также обосновать управленческие решения в сфере оптимизации, нормирования и кадастровой оценки почвенных ресурсов. Наиболее значимые результаты НИР были опубликованы в 30 научных статьях, индексируемых системами РИНЦ, RSCI, WoS/Scopus и иными библиогафическими базами данных, а также представлены научной общественности в форме 33 докладов на научных конференциях всероссийского и международного уровня в Российской Федерации, Республике Беларусь, Объединенных Арабских Эмиратах. Два выступления в отечественных СМИ изложили в научно-популярной форме часть полученных результатов. Все запланированные на З этапе НИР 2023 г задачи и разработки были успешно реализованы с получением системно-значимых результатов на современном научном и методологическом уровне с междисциплинарным охватом наиболее актуальных направлений по количественному изучению и моделированию физических основ и механизмов устойчивого функционирования почв в природных и антропогенных ландшафтах.
4 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. Методическое обеспечение и моделирование физических процессов для технологий оптимизации экологических функций почв и их мониторинга
Результаты этапа: Исследования 4 этапа НИР по теме Госзадания «Физические основы экологических функций почв: технологии мониторинга, прогноза и управления», являются актуальными, широкомасштабными, во многом междисциплинарными и основанными на инновационных методологических подходах и методах измерения и моделирования физических свойств и процессов в почвах, которые разработаны в том числе участниками научного коллектива. В результате проведенных исследований впервые: – разработаны новые методы измерения и моделирования потоков метана и диоксида углерода на границе экосистема/атмосфера; – показана необходимость более точной настройки математической модели миграции влаги в почве по полевой влажности почвы в реальном времени, определяемой с помощью датчиков с дистанционной и практически мгновенной передачей данных в ненарушаемом объеме почвы; – разработана пошаговая система оценки опасности и риска применения пестицидов в почвах и сопредельных средах; – получены данные по выносу из почвы ионов бария и калия, которые могут быть использованы для верификации имитационной модели PEARL; – уточнена методика лабораторного определения коэффициента фильтрации тяжелосуглинистых почв методом Хануса; – предложена и обоснована методика количественной оценки гидрофильной удельной поверхности твердой фазы почвы по гигроскопической влажности с использованием нового термодинамического уравнения на основе теории расклинивающего давления воды по Дерягину, что существенно упрощает получение информации о физических свойствах почвы, в частности позволит рассчитывать удельную поверхность почвы по рутинным для любых почвенных анализов данным о содержании гигроскопической влаги; – даны оценки антропогенного механического воздействия на физические свойства и процессы почв ботанических садов разных почвенноклиматических зон (чернозема, желтозема и стратозёма) и техногенного воздействия на физические свойства и процессы сухостепных каштановых почв восточной Монголии, загрязненных нефтепродуктами; – выявлено влияние литогенного фактора, а именно водородных флюидов эндогенного происхождения на физические свойства пахотных почв, проявляющееся в снижении устойчивости почвенных агрегатов; – разработана последовательность осуществления глобальной интеграции данных о почвах и ландшафтах, необходимой для унификации, сравнения, обмена и согласования данных о физических свойствах и процессов в почвах, используемыми в том числе для оценки кадастровой стоимости сельскохозяйственных угодий и оптимизации землепользования; – проведена оценка нормативной урожайности и кадастровой стоимости сельскохозяйственных угодий Алтайского края для выявления характера дифференциации удельных показателей кадастровой стоимости конкретных типов-подтипов почв по почвенно-климатическим зонам, чувствительности к деградационным процессам и агроклиматическим факторам. Таким образом, результаты НИР позволили существенно расширить понимание функционирования и устойчивости почв и разработать научные обоснования для принятия управленческих решений в сфере оптимизации, нормирования и кадастровой оценки почвенных ресурсов. ИСТИНА 71 Результаты НИР опубликованы в 20 научных статьях, индексируемых системами РИНЦ, RSCI, WoS, Scopus и иными библиографическими базами данных, а также представлены научной общественности в форме 26 докладов на научных конференциях всероссийского и международного уровня
5 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. Моделирование и прогноз водного, теплового, газового режимов почв и почвенных конструкций разного строения в условиях меняющегося климата
Результаты этапа:
6 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. Разработка и верификация сценариев режимов почв и почвенного покрова и их функционирования
Результаты этапа: 1. Разработка сценариев газового, температурного, водного режимов почв и почвенных конструкций для различных климатических и экологических условий. 2. Верификация разработанных сценариев на основе экспериментальных данных о свойствах почв, их газовом и гидротермическом режимах для природных и антропогенно измененных ландшафтов 3. Проведение долгосрочных прогнозов по функционированию почв и почвенного покрова для различных погодных и климатических условий
7 1 января 2027 г.-31 декабря 2027 г. Свойства и режимы естественных, антропогенно-измененных почв и почвоподобных тел
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен