Methodology and categories of studying depositary, biogeocenotic, ecological and service functions of soils

Программа фундаментальных исследований, разработанная Почвенным институтом им. В.В. Докучаева и Всероссийским НИИ сельскохозяйственной микробиологии, утверждена в перечне программ Президиума Российской академии наук по отраслям и направлениям науки по приоритетным направлениям (Постановление президиума РАН № 10115-54 от 3 февраля 2015 г.)

Программа соответствует положениям “Прогноза научнотехнического развития Российской Федерации до 2030 года” предполагает необходимость развития новых подходов к экологическому мониторингу природных сред, оценке состояния и динамики ресурсов агроландшафтов, модельному описанию биогеохимических потоков, энерго- и массопереноса, возможной дополнительной мобилизации потенциала плодородия почв, увеличения коэффициента использования промышленных удобрений, повышения биопродуктивности, предотвращения деградации почв, в том числе, латентных ее проявлений.

Изучение почв России с позиций оценки их депозитарных, агроэкологических и сервисных функций, охраны, рационального использования и обеспечения продовольственной безопасности, важнейшая задача, требующая междисциплинарных интеллектуальных усилий. К тому же эколого-экономическое единство современного землепользования на биосферных принципах, предусматривает эффективное управление метаболизмом растений минеральным и водно-воздушным режимами почв, комплексного и оперативного прогноза и экспресс-анализа климатических, почвенных показателей, физиологических и агроэкологических требований растений для оптимально заданного уровня биопродуктивности агроландшафтов. Исследования имеют большое значение для решения обширного круга вопросов, связанных с развитием систем экологического мониторинга, диагностики состояния природных и антропогенных систем, повышением агроэкологического уровня земледелия, биосферного природопользования.

Научно-исследовательскими учреждениями земледельческого и мелиоративного профиля отделения сельскохозяйственных наук РАН (ранее объединенных в структуре Россельхозака-демии) в течение последнего десятилетия разрабатывалась и координировалась программа научных исследований по разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия. В результате были разработаны типология и система агроэкологической оценки земель, методология проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия, подготовлены соответствующие методические руководства, разработаны инновационные проекты адаптивноландшафтного земледелия и агротехнологий для ряда сельскохозяйственных предприятий и регионов. В результате сложились необходимые научные предпосылки, приоритеты и научный задел для дальнейшего развития этого направления. Отечественный и международный приоритеты защищены и бесспорны, они полностью соответствуют мировым тенденциям биосферного природопользования.

В то же время велись исследования в области метагенома почв. Сформирована и постоянно пополняется коллекция почвенных образцов (разных типов почв, степени нарушенности, с разным характером использования) для анализа почвенного микробиома. Создана и обработана оригинальная методика получения высокоочищенных ДНК из почвы, освоены методики конструирования оптимального набора мультикомплексных fusion-праймеров, позволяющих проводить одновременный анализ 20 почвенных образцов, с выходом около 3–3.5 тыс. нуклеотидных последовательностей на образец, анализа почвенной микробиоты, с использованием полимеразной цепной реакции, с детекцией в реальном времени и таксономическим анализом сложных микробных сообществ.

К настоящему моменту имеются данные о таксономической структуре более чем 100 почвенных микробиомов, проведены эксперименты по анализу и возможности использования информации о почвенной микробиоте как индикатору состояния почв и их функций. Подобная информация по почвам страны получена впервые.

Имеющиеся наработки в области метагенома почв свидетельствуют о возможности использования этой информации в качестве интегрального показателя качества почв и их функционирования, а также перспективности применения достижений этого направления почвоведения для дальнейшего развития подходов адаптивно-ландшафтного земледелия и ландшафтного планирования в целом.

Предпосылками для проведения исследований подобного рода в России являются наличие авторитетных классических школ почвоведения, десятков стационарных опытов и широкого разнообразия почв, находящихся в различном агроэкологическом состоянии. Результаты выполнения данного проекта могут существенно обогатить мировую науку как качественно новыми фундаментальными знаниями, так и инновационными практическими решениями, которые в силу их универсальности могут быть использованы в разных отраслях народного хозяйства.

Отличительной особенностью предлагаемого подхода является изучение функций (групп функций) почв с позицией статической оценки и описания их динамики на микропроцессном (энер-гомассообмен) и биосферном уровнях, производимой работы и сервиса (услуг) предоставляемой почвой социуму, взамен традиционно принятому пониманию функции как роли, значению и т.п.

Последнее направление в мировой науке о почвах, с явно выраженной прагматикой, с разной степенью успеха развивается особенно интенсивно (Одум, 1959; Лархер, 1978; Groot, 1992). Между тем отечественная научная школа в почвоведении (Вернадский, 1940; Ковда, 1975; Добровольский, Никитин, 1990 и др.) и теоретический задел в научном земледелии (Кирюшин, 2011; Тихонович, 2006, Иванов и др., 2012 и др.) позволяют решить проблему адаптировано к современному социальноэкономическому пространству и природно-климатическим изменениям, фундаментальнее и более ориентированнее для прикладного использования.

Программа включает пять самостоятельных проектов:

– цифровая дистанционная инвентаризация и мониторинг пахотных почв России;

– трансформация, эволюция и деградация почв в условиях агрогенеза и глобальных изменений климата;

– депозитарные и экологические функции почв в агроландшафтах;

– оптимизация использования почвенных ресурсов;

– анализ показателей почвенного микробиома в процессах, связанных с почвообразованием, трансформацией органического вещества и тонкой регуляцией вегетационного процесса.

В краткосрочной перспективе предусмотрено создание интеллектуальной экспертной системы, пространственной базы данных депозитарных функций почв, агроландшафтов и почвенного микробиома. Важным является использование современных био-информационных средств, физико-технического базиса и программных пакетов для описания функций и процессов, структурно-функциональной организации почвенного ценоза, оценка агроэкологического состояния почв, разработка системы индикаторов экологической устойчивости агроландшафтов, в том числе с учетом микробиотических и генетических резервов почвенного микробиома для определения нормативов допустимой нагрузки и обеспечения эффективности затрат.

Не менее важным представляется развитие методов и системы проектирования агроландшафтов и их инфраструктуры на принципах функциональной поляризации и формирования экологического каркаса территории, с учетом опыта адаптивноландшафтного землепользования в России.

В общем виде их осуществление предполагается в рамках следующих направлений:

– депозитарные и экологические функции почв в агроландшафтах: статика и динамика (оценка влияния сельскохозяйственной деятельности человека и глобальных климатических изменений на состояние почв, направленность элементарных почвенных процессов и регулирование агробиохимических циклов биофильных (в первую очередь фосфора и азота) элементов в экосистемах; миграция микроэлементов, баланс углерода – критерий оценки состояния агроэкосистем; качественный состав органического вещества почвы и микробного сообщества как показатель почвенного плодородия и здоровья экосистем;

– русский чернозем – основное богатство России – состояние и прогноз его изменений под воздействием природных и антропогенных факторов);

– рациональное использование почвенного покрова (агроэкологическая оценка состояния почвенного покрова; адаптивноландшафтные системы земледелия как технология предотвращения деградации почв, воспроизводства их плодородия, повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий и обеспечения продовольственной безопасности России; моделирование рисков деградации, эффективный мониторинг сельскохозяйственных земель).

Практическое использование предлагаемых теоретических и методологических принципов и подходов, а также эмпирического обобщения ожидаемых экспериментальных результатов исследований расширит возможности устранения ряда важнейших противоречий между экологизацией и интенсификацией сельскохозяйственного производства при реализации задач обеспечения продовольственной безопасности России, создания научной основы для разработки основных направлений эколого-сельскохозяйственной политики и рационального использования сельскохозяйственных земель России, совершенствования системы предотвращения деградации почв как составной части адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий. Это позволит значительно повысить продуктивность сельскохозяйственных угодий и будет способствовать устранению зависимости России от поставок импортной сельскохозяйственной продукции, общему оздоровлению экологической обстановки и созданию безопасных условий жизни населения нашей страны.

Внедрение разработанных технологий расширит возможность коренной реконструкции в системе планирования сельскохозяйственного использования земель.

Методология исследований по программе представлена в концептуальной блок-схеме (рисунок).

На основе работы Г.В. Добровольского и Е.Д. Никитина (1990), биогеноценотические и глобальные функции почв (педосферы) структурированы в три большие группы: депозитарные, биогеоценотические, экологические и сервисные (услуги). Выделение в перечне первой и последней групп представляется принципиально важным, с учетом принятого выше понимания функций почв.

В соответствии с этим выделяются объекты и категории исследования. Становится, возможным их масштабирование, определение размеров, размерностей, а также приемов и методов прак-

Провинции

Коллоид-агрегат-горизонт-разрез-траншея

| Выветр1

Сапробиота, микробоценоз ассоциации;

Абиотический энерго-массоперенос; Взаимодействие на границе раздела фаз; И Т.Д.

Методология, структура и категории фундаментальных исследований по программе. Прикладные аспекты

Тренды. Методы изучения и контроля

Объекты, категории.

Управление и регулирование

Научные и прикладные результаты. Размерность.

Зоны (1:2 500 000)

1£

| Материнская порода |

•Концептуальноэмпирический анализ круговорота, трансформации и энергомассообмена в агроэкосистеме и т.д.

Компенсаторные и агротехнологии, меры адаптации

•Эмпирический (морфологический, биохимический, геномный, химический, физический, физикохимический, минералогический и т.д.) анализ;

■Термодинамическое и физическое моделирование механизмов, процессов и компонентов;

•Оценка и имитация пространства состояний системы;

• Аккумуляция (±);

• Биоразнообразие;

• Сукцессии;

• Элементный небаланс;

• Нарушение равновесия процессов и т.Д.

• Реестры почвенных ресурсов;

•Агроэкологическое районирование;

•Капитализация продуктивности, ущерба;

•Стоимость земли;

• Нормативы, ведомственные акты;

•Стоимость почвенного с ервиса (услуг) и т.д. т/га, руб/т, руб/га*1О" и т.д.

•Мониторинг, индикация состояния, зондирование, цифровая инвентаризация, ГИС И Т.д.

ЗЕ

Оптимизация использования земельных ресурсов, рациональное ______ природопользование ______

• Трансформация, эволюция и деградация почв;

• Антропо-техногенез;

• Соответствие эволюции почвообразования изменениям климата; и т.д.

• Математические модели, прогнозы;

• Концептуальное описание биогеохимических циклов энерго-массопереноса;

•Индикаторы экологической устойчивости, мера допустимой нагрузки;

•Агроэкологическая оценка и классификация;

■ Методология ландшафтного планирования и проектирования;

■Проекты, ТЭО, агротехнологии ) и т.Д.____________________________________ константы биогеохимических циклов, удельные константы dx/dt

• Мультиэлементная эмпирическая база данных;

• Библиотека мета геномов;

микроморфологического строения;

•Физические модели механизмов и процессов (кинетика, статика);

• Имитационные модели пространства состояний;

•Системы индикаторов;

•Пакеты программ, экспертные системы и т.д.

единицы транзакта, константы моделей, г, моль, дж и т.д.

Урочище (1:100 ООО), Фация, ЭАЛ, ЭПС, агроценоз (1:5 000),

Ландшафт (>1:1 ООО 000)

Местность (1:1 000 000)

тического управления и регулирования: от компенсаторных и агротехнологий, мер адаптации к уровню интенсификации и природоклиматическим метаморфозам до оптимизации использования земельных ресурсов агроландшафтов и рационального природопользования в целом. Таксономическая иерархия в этом случае также соблюдается.

Методы изучения и контроля, соотнесенные с выделенными группами функций, ранжируются следующим образом. На депозитарном уровне используются:

• –    эмпирический (морфологический, биохимический, геномный, химический, физический, физико-химический, минералогический и т.д.) анализ;

• –    термодинамическое и физическое моделирование механизмов, процессов и компонентов;

• –    оценка и имитация пространства состояний системы.

Для характеристики биоценотических функций необходимы: концептуально-эмпирический анализ круговоротов, трансформации, энергомассообмена в агроэкосистеме; описание экологических и сервисных функций (услуг); мониторинг, индикация состояния, зондирование, цифровая инвентаризация, ГИС и т.д.

Изучаемые тренды также различаются. На первом уровне это аккумуляция, биоразнообразия и сукцессии, элементный небаланс, нарушение равновесия и т.д. На более высоком уровне иерархии – трансформация, эволюция и деградация почв, антропотехногенез, соответствие эволюции почвообразования изменениям климата и т.д.

Принципиальным является научная и прикладная интерпретация, а также конкретные размерности на том или ином уровне изучаемых групп почв.

Программа междисциплинарная. В реализации ее примут участие, кроме Почвенного института им. В.В. Докучаева и Всероссийского НИИ сельскохозяйственной микробиологии, творческие коллективы из ученых Агрофизического института им. А.Ф. Иоффе, НИИСХ Центрально-черноземной полосы им. В.В. Докучаева, Белгородский НИИСХ, Курский НИИ АПП и вновь созданной совместной лаборатории по оценке экономической деградации почв МГУ им. М.В. Ломоносова.

Материалы представлены на интернет-сайте Почвенного института им. В.В. Докучаева ( http://esoil.ru ), доступны для обсуждения, но уже сейчас понятно что, программа будет положена в качестве приоритетной в планах научных исследований на пер-спективу ¹ .