ИСТИНА

Возникновение новой фундаментальной междисциплинарной задачи на стыке почвоведения, микробиологии, микроклиматологии и экологии по созданию и изучению конструктоземов как искусственного компонента антропогенно-преобразованных ландшафтов базируется на (1) их быстро растущей востребованности и распространенности, в том числе, на территориях с высокой плотностью населения, (2) на новых задачах в области конструирования почв и ландшафтов с вовлечением различных субстратов и добавок, в том числе микробилогических комплексов, полимеров и проч., (3) на достижениях современных наук, использующих современную методическую базу, методы обработки данных, моделирования и прогноза различных сценариев их развития. Главная фундаментальная идея проекта заключается в том, что почвенные субстраты, используемые для формирования конструктоземов, имеют выраженные различия в физических, микробиологических и химических свойствах. Такое объединение оправдано с позиций выполнения ими конкретных функций – питания, водоудерживания, дренажа и проч. Однако объединение их в одну искусственную почву – конструктозем, ведет к формированию системы совсем другого уровня со своим набором физических свойств, микробиологического состава, особенностями функционирования и трансформации. Важное значение в этом случае приобретает особенность составления и смешивания почвенных субстратов, обуславливающих стартовую ситуацию их дальнейшей эволюции в различных климатических условиях. Будут проведены разработки и исследование физических свойств и режимов конструктоземов разного строения и их трансформации в условиях разного по тепло и влагообеспеченности климата. Будет проведена характеристика сообществ микроорганизмов, формирующихся при создании и дальнейшем функционировании почвенных конструкций, их количественная и таксономическая оценка, планируется осуществлеие таксономического и функционального сопоставления микробиологических свойств модельных конструктоземов с их природными зональными аналогами. Важнейшим новым результатом проекта будет комплексное исследование трансформации физических свойств почвенных субстратов, входящих в состав конструктоземов разного строения во взаимосвязи с реакцией почвенного микробного комплекса конструктоземов в условиях разного климата. Использование современных математических моделей позволит впервые осуществить прогноз изменения водного и температурного режима конструктоземов разного строения в процессе изменения их физических и микробиологических свойств в условиях дефицита и избытка влаги, в условиях теплого и холодного климата. Важным результатом проекта явятся теоретические и методические разработки по организации долговременных полевых экспериментов по комплексному изучению эволюции конструктоземов, и пополнение базы данных о физических и биологических свойствах таких сложных искусственных почвенных объектов в различных климатических зонах.

The appearance of a new fundamental interdisciplinary task at the intersection of soil science, microbiology, microclimatology and ecology for the creation and study of soil constructions as an artificial component of anthropogenically transformed landscapes is based on (1) their rapidly growing demand and prevalence, including areas with high population density, (2) on new tasks in the field of soil and landscape design with the involvement of various substrates and additives, including microbial complexes, polymers, etc., (3) on the achievements of modern sciences, which uses modern methodological base, data processing methods, modeling and forecasting of various development scenarios. The main fundamental idea of the project is that the soil substrates used for the formation of soil constructions, has significant differences in physical, microbiological and chemical properties. Such a combination is justified from the standpoint of the fulfillment of specific functions — nutrition, water retention, drainage, and so on. However, combining them into one artificial soil, soil construction, leads to the formation of a completely different system with its own set of physical properties, microbiological composition, functioning and transformation aspects . In this case, the composition and mixing of soil substrates, which determine the starting situation of their further evolution in various climatic conditions, become important. The development and study of the physical properties and regimes of soil constructions of different structures and their transformation under different temperature and moisture conditions will be carried out. A characterization of microbial communities formed during the creation and further functioning of soil structures, their quantitative and taxonomic evaluation will be carried out. Taxonomic and functional comparison of the microbiological properties of soil constructions with their natural zonal analogs is planned. The most important project's new outcome will be a comprehensive study of the transformation of the physical properties of soil substrates that make up the soil structures of different formation in conjunction with the reaction of the soil microbial complex of soil structures in different climate zones. Using of modern mathematical models will allow for the first time to predict changes in the water and temperature conditions of different types of soil constructions in the process of changing their physical and microbiological properties under conditions of deficiency and excess moisture, under conditions of a warm and cold climate. An important result of the project will be theoretical and methodological developments on the organization of long-term field experiments on the comprehensive study of the evolution of soil structures, and the database updating of the physical and biological properties of such complex artificial soil objects in various climatic zones.

Оригинальность планируемых работ заключается в том, что на основе лабораторных экспериментов будут предложены модели почвенных конструкций, обладающие различной способностью к влагопереносу и влагоудерживанию, а значит, имеющие свои особенности гидротермических режимов. Часть работы уже была проведена в рамках предыдущих проектов РФФИ № 12-04-01806 «Архитектура почв: формирование, свойства и роль в функционировании почв» и № 16-04-01851 «Фундаментальные гидрологические характеристики: научное обоснование и использование для текстурно-дифференцированных, макропористых и антропогенно-измененных почв», которые послужили основой для закладки трех вариантов долговременных почвенных конструкций на почвенном стационаре МГУ на Ленинских горах. Полученные мониторинговые исследования показали трансформацию функциональных характеристик почв, взаимосвязанную с изменением почвенной структуры и микроструктуры, и их устойчивости (Сусленкова и др., 2018) по данным реологического поведения почв, сканирующей электронной микроскопии и влагоудерживающей способности почв. Такие варианты конструктоземов с тем же набором использованных субстратов (слоистые конструкции из торфа низинного, песка карьерного, гор. Апах, смесь) будут заложены в нескольких местах гумидной и аридной зон для сравнительного анализа их трансформации в процессе функционирования. На основе анализа величин выпадающих осадков, типа преобладающей почвы и растительности, планируется их закладка в нескольких точках. Предварительный анализ показал, что наиболее интересными с позиций исследования трансформации модельных почвенных конструкций являются Москва (близость размещения позволяет детально прорабатывать алгоритмы необходимых исследований), Курской области, Ростовской области или Краснодарском крае, в сухой степной части Крыма. Фундаментальность такого подхода очевидна, т.к. позволяет изучить влияние условий на верхней границе почвенной конструкции на ее функционирование и трансформацию ее физических свойств и микробного комплекса. Практический аспект также в полной мере присутствует, т.к. в настоящее время весьма популярны перемещения почв и почвенных субстратов на дальние расстояния, например, для целей озеленения городских территорий (парк Зарядье в Москве, ботанические сады, озеленение территорий ОАЭ, Бахрейна и других стран с использованием сапропелей и торфа). Вторая серия экспериментов будет касаться лабораторной разработки и закладки конструктоземов, состоящих из набора представленных на месте почвенных горизонтов и субстратов. Этот вариант интересен и в плане собственно эволюции подобных конструктоземов, и с позиций сравнительного анализа с первым вариантом закладываемых конструкций. Очень важным представляется сочетание лабораторных модельных экспериментов, полевых экспериментов и математического моделирования режимов и развития гидрофизических свойств данных почв. Уникальность подобных исследований состоит и в том, что будет проведено изучение микробного комплекса различных почвенных субстратов во взаимном влиянии и дальнейшем развитии в различных почвенно-климатических зонах. В этом случае, микробиота, с одной стороны, имеет диагностический характер физических и химических условий среды, а с другой представляет очень активную фазу почв, способную очень быстро изменять состав почвенного воздуха, свойства поверхности твердой фазы почв, и, как следствие, функциональные характеристики порового пространства почв в его водоудерживающей, влаго и теплопроводящей способностях. Впервые будет проведено таксономическое и функциональное сопоставление микробиологических свойств модельных конструктоземов с их природными зональными аналогами. Получение данных о режиме функционирования конструктоземов разного строения, состоящих из одних и тех почвенных субстратах в идентичных количественных соотношениях в различных климатических зонах. В связи с тем, что планируется подобрать территории с гумидным и аридным климатом, предполагается наличие разницы в способности удерживать и проводить почвенную влагу, в температурном и газовом режиме почв и в динамике микробного состава. Следующим важным итогом проведенной работы будет является исследование скоростей трансформации почв в зависимости от строения конструктоземов, используемых субстратов и климатической зоны. Предполагается формирование структурно и функционально-дифференцированного порового пространства почв, что должно отразится на гидрофизических, теплофизических, микробиологических и гидрохимических свойствах почв. Заключительный этап работ будет связан с математическим моделированием функционирования конструктоземов с помощью современных прогнозных моделей для сравнительного анализа водного и температурного режима почвенных конструкций разного строения в одних и тех же климатических и погодных условиях и в зональном ряду. Такие комплексные прогнозные задачи будут впервые решены в рамках данного проекта.

Имеющийся научный задел у коллектива заключается в научном опыте, оригинальных теоретических и методических разработках и результатах научных исследований, представленных в публикациях и научных отчетах, в том числе при РФФИ 04-04-49606; 06-04-48298; 07-04-00131; 09-04-01297, 16-04-01851. Участники проекта являются авторами ряда коллективных методических пособий, получены оригинальные результаты, разработаны новые методы и подходы, которые и явились основой для выполнения проекта: «Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв: Методическое руководство», 2001; «Теория и методы физики почв», 2007; монографий и учебников: Умарова А.Б. «Преимущественные потоки влаги: закономерности формирования и значение в функционировании почв», 2011, «Антропогенные почвы: учебное пособие для бакалавриата и магистратуры». (авторы Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В.), «Почвы Москвы (почвы в городской среде, их особенности и экологическое значение)», 2004 (Прокофьева Т.В., Строганова М.Н).

Исследования 1-го года проекта были направлены на реализацию следующих основных блоков: (1) подбор почвенных субстратов для конструктоземов на основе исследования их физических и биологических свойств, (2) исследование свойств почв, где запланировано размещение конструктоземов, как обрамляющего субстрата с определенными физическими, химическими и биологическими свойствами, и зональных почв, отражающих направление почвообразовательных процессов в исследуемой климатической зоне, (3) проведение модельных лабораторных экспериментов, имитирующих функционирование почвенных субстратов в режиме замораживания-оттаивания и формирования вертикальных потоков влаги, для исследования динамики температуры, влажности, трансформации порового пространства почв и динамики микробного сообщества, (4) исследования физических и микробиологических свойств конструктоземов с точно известной датой их заложения на территории парка Зарядье и почвенного стационара МГУ. Решение первой задачи позволило подобрать почвенные субстраты двух типов с учетом их водоудерживающей, теплопроводящей способности и обогащенности микробным комплексом с использованием привозных и местных субстратов. Была обнаружена разница во влагоудерживающих характеристиках искусственных почв в зависимости от пространственной организации субстратов: в виде смеси и в виде слоистого конструктозема. Второй блок исследований позволил оценить особенности морфологии и физики городских почв, заключающиеся в наличии большого количества включений и требующие подбора методов исследования. Проведенные исследования микробных комплексов ряда городов выявили их отчетливую зональность и наличие характерных для условий города микроорганизмов. Данный блок исследований привел к задаче дополнительной разработки и установки малых почвенных конструкций в ряде южных городов, которая уже частично реализована в первый год. Лабораторные эксперименты в режиме промерзания-оттаивания выявили быструю дифференциацию порового пространства почв, являющуюся потенциальным показателем устойчивости почвенной конструкции. Получены данные о скоростях промерзания субстратов разного генезиса в составе почвенных конструкций. Наблюдалась трансформация и модификация сообществ микроорганизмов в исследованных субстратах, которые характеризовались заметным снижением численности бактерий при замораживании, отсутствием такого эффекта для дрожжевых грибов, а также всплесками численности разных видов дрожжей и бактерий при разных значениях температуры в эксперименте.