Грантодатель: Российский научный фонд (РНФ)
Номер проекта: 23-64-10002
Руководитель: Смагин Андрей Валентинович, Доктор биологических наук
Годы выполнения при поддержке РНФ: 2023 — 2026
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.
Ожидаемые результаты:
Обе базовые задачи междисциплинарного Проекта – совершенствование методологии количественной оценки углеродного баланса и получение технологических решений в сфере лесоразведения с целью контролируемого секвестрирования углерода в лесных насаждениях и почвах предполагают тесное сотрудничество и обмен знаниями между партнерами Проекта, а также итоговый синергетический эффект от получаемых результатов. Основная группа ИЛАН РАН с совместителями из МГУ и ИТХ Уро РАН, объединяющая ведущих специалистов лесных экологов, биологов и физиков почв, гидрофизиков, химиков-технологов, исследователей круговорота углерода и его газовых составляющих в лесных ландшафтах получает первичную информацию о свойствах почв, древесных культур, метеоусловиях их роста, необходимую для почвенного смарт-дизайна, отрабатывает методики их лабораторного анализа и инструментального полевого мониторинга, а также синтезирует новые и модифицирует имеющиеся композитные полимерные и биополимерные материалы-почвомодификаторы в количествах, необходимых для проведения лабораторных и полевых испытаний. Партнерская группа КФУ ведущих специалистов в области математической физики, гидрофизики и компьютерного моделирования энергомассообмена в распределенных биологически- и химически- активных пористых средах осуществляет постановку начально-краевых задач интеллекуального дизайна системы «почва-материал-растение-атмосфера», поиск оптимальных алгоритмов их численного решения и предварительную верификацию. Объединенными усилиями обеих групп осуществляется сбор и обмен необходимой информацией, обучение молодых участников Проекта компьютерному 1D-2/3D моделированию и проведение интеллектуального почвенного дизайна с 2-3 наиболее перспективными видами материалов — почвенных кондиционеров и 2-3 древесными породами с известным водопотреблением для выявления оптимальных доз, способов внесения и локализации материалов (слоем, перемешиванием с почвой, поверхностным покрытием, капиллярным барьером), гарантирующих планируемую приживаемость, продуктивность и секвестрирование углерода в мультивариантных сценариях погодных условий и искусственного орошения. 2-3 наиболее эффективных дизайн-проекта реализуются на практике на базовом объекте Серебряноборского опытного лесничества ИЛАН РАН (55.77090274 N, 37.39450062 E) в гумидном климате и на дополнительном объекте в аридных условиях (экспериментальная станция Университета Султана Кабуса (Sultan Qaboos University) в Омане) с привлечением имеющихся у авторского коллектива международных творческих связей. Инструментальный экологический мониторинг условий экспериментов, почвенных режимов, нетто-проуктивности и газовых углеродных потоков с выявлением динамики секвестрирования углерода позволит оценить эффективность предложенных на проектном этапе технологических решений и материалов для почвенного конструирования, а также провести полную верификацию разработанных смарт-проектов. Выполнение запланированных работ отдельными партнерскими группами предполагает получение следующих основных результатов с кратким отражением их научной новизны и значимости: –создать компьютерные алгоритмы (сценарии) интеллектуального почвенного дизайна для исскуственного лесоразведения с целью карбоновой севестрации на базе отсутствующих пока в РФ передовых разработок по компьютерному моделированию энергомассообмена в системе «почва-материал-растение-атмосфера» 2/3D-уровня, необходимых для учета специфики многомерных водных, тепловых, солевых и газовых потоков в локальных почвенных конструкциях под древесную растительность в условиях естественных осадков и капельного орошения; -получить необходимое экспериментальное почвенно-гидрофизическое обеспечение создаваемых компьютерных моделей для интеллектуального почвенного дизайна (термодинамические функции водоудерживания, гидравлической проводимости, электропроводности, базального дыхания, поверхностной энергии и дисперсности, агрегативной устойчивости и тд в форме статистически достоверных параметров аппроксимации экспериментальных данных) для почв опытных участков и их композиций с материалами-почвомодификаторами; –синтезировать новые и адаптировать разработанные ранее композитные материалы с комплексным позитивным эффектом на водоудерживающую способность, гидравлические свойства, диспрсность, структурное состояние, агрохимические показатели плодородия и противопатогенную защиту ризосферы, эмиссионные газовые потоки поглощение СО2) с использованием инновационных, не имеющих пока аналогов, технологий получения композитных почвомодфикаторов с наполнением гель-формирующей синтетической матрицы природными биополимерами (торф, гуматы), агрохимикатами и биоцидами (биофильные элементы, микроэлементы, пестициды, геттер-реагентов) с функциями адсорбции и объемного поглощения газообразного углерода. Впервые создаются и испытываются инновационные композитные материалы, сочетающие весь необходимый для лесоразведения комплекс позитивных воздействий на почву, наряду с собственной устойчивостью в биологически- и химически-активной почвенной среде и способностью поглощения диоксида углерода; – получить на опытных участках данные трехлетнего комплексного экологического мониторинга метеоусловий, почвенных режимов (водно-воздушного, температурного, кислотно-щелочного, солевого, биологической активности), нетто-секвестрирования углерода в фитомассе лесных насаждений и почве, газовых углеродных потоков (фотосинтез, дыхание почвы и растительности), лизиметрического и профильной динамики диоксида углерода с учетом его межфазных взаимодействий для объективной оценки карбонового баланса и эффективности углеродного секвестрирования в сравнении разных гидротермических условий, материалов-почвомодификаторов и вариантов почвенного смарт-дизайна. Впервые будет детализирована недостаточно изученная почвенная составляющая углеродного баланса с учетом не только поверхностного С-газообмена почвы и атмосферы, но и сложной динамики биогенного диоксида углерода в почвенном профиле, его межфазных взаимодействий, переводом в неорганические формы почвенного раствора и последующего гравитационного и транспирационного стоков из почвы. Также впервые для получения этих результатов планируется испытать новое газометрическое полностью автоматизированное (логгерное) оборудование, приобретаемое в рамках Проекта для точной и высокочастотной регистрации динамики диоксида углерода в почвенных конструкциях под лесоразведение; Наиболее важными общими результатами междисциплинарного Проекта, получаемыми во взаимодействии всех его участников будут: – верифицированная трехлетними полевыми данными Проекта научно-обоснованная методология интеллектуального почвенного дизайна с технологическими решениями для лесоразведения, гарантирующими высокую приживаемость и продуктивность лесонасаждений с максимально-возможным в данных биоклиматических условиях суммарным секвестрированием в древостое и почве при естественном и искусственном (капельный полив) водоснабжении, как главном эдафическом факторе продукционного процесса; – отработанная в реальных полевых экспериментах детализированная методология количественной оценки и инструментального мониторинга углеродного баланса искусственно-создаваемых лесных насаждений для выявления их эффективности в карбоновом секвестрировании на фиксированной площади. Использование передовых компьютерных технологий для интеллектуального почвенного дизайна, новейшего инструментального оборудования и методических разработок для почвенно-гидрофизического обеспечения процессных моделей почвенных конструкций (дизайн-проектов), экологического полевого мониторинга показателей круговорота углерода лесных насаждений и контролирующих его факторов, применение инновационных композитных материалов для почвенного кондиционирования, наряду с междисциплинарным характером Проекта, позволившим привлечь в его ядро профессиональных, квалифицированных специалистов с высокой публикационной активностью и международным научным рейтингом гарантируют выполнение Проекта на самом современном уровне и принятие предлагаемых методологических и технологических разработок международной научной общественностью. Проект способствует ликвидации объективного отставания отечественной экологической науки в области процессного компьютерного моделирования круговорота углерода в лесных экосистемах, акцентируя внимание на его почвенную составляющую, сложно организованную в пространстве, имеющую многочисленные формы и потоки биогенного углерода, недостаточно исследованные в методологическом отношении и имеющие важное значение для точной оценки карбонового баланса лесных земель и секвестрирования ими углерода атмосферы. Очевиден и социально-экономический резонанс темы лесоразведения, лесовосстановления и озеленения территорий, включая компенсационное, озвученной на самом высоком уровне в указе Президента РФ №76 от 26.02.2021 г, реализуемой в национальном Проекте «Экология» и аналогичных международных мега-Проектах (Саудовская Аравия, КНР, Пакистан, Узбекистан) в связи с глобальными вызовами новой карбоновой политики современности и стремлением передовых стран к карбоновой нейтральности. Эта тема всегда позитивно поддерживается общественностью, но явные неуспехи в виде низкой приживаемости лесных насаждений сигнализируют о недостатке шаблонных подходов к озеленению и современных технологических разработок в данной области. Поэтому авторы Проекта имеют все основания надеяться на востребованность его результатов и широкие возможности их практического использования для усовершенствования технологий лесопосадок с целью карбонового секвестрирвания на различном уровне от частного бизнеса с муниципальными подрядами на озеленение до крупных федеральных и даже международных проектов.