Молодежная лаборатория карбомониторинга наземных экосистем основана в 2022 г. в рамках национального проекта “Наука и университеты” по направлению “климатические исследования”.
Работа лаборатории нацелена на оценку составляющих баланса углерода в естественных, агрогенных и постагрогенных экосистемах и поиск эффективных решений для накопления органического углерода в почвах различных биоклиматических зон (от южно-таежной до лесостепной подзон) Европейской территории России.
Коллектив лаборатории – это молодые специалисты в области почвоведения, агрохимии, экологии, почвенной микробиологии, лесного хозяйства, современных ГИС-подходов, машинного обучения и моделирования, навыки которых позволяют оценить распределение показателей цикла С в пространственном и временном масштабе, выявить их основные драйверы и получить прогнозную оценку составляющих углеродного баланса. Кроме того, сотрудниками лаборатории решаются задачи поискового характера, направленные на уточнение расчетных оценок баланса углерода в наземных экосистемах. На базе лаборатории молодые ученые также разрабатывают программный продукт для автоматизации определения дендропараметров в постагрогенных экосистемах с целью оценки запасов С в фитомассе древостоев и тест-систему для анализа почвенных показателей углеродного цикла, которые будут полезны для оценки качества почв в агро- и фермерских хозяйствах.
к.б.н., с.н.с., заведующая
PhD Atmos. Sci., к.т.н., с.н.с.
к.г.н., с.н.с.
к.б.н., н.с.
к.г-м.н., н.с.
к.б.н., н.с.
к.б.н., н.с.
м.н.с.
м.н.с.
м.н.с.
м.н.с.
м.н.с.
Исследование микробной активности почв проводили методом чайных пакетиков. Предложена доступная в России альтернатива стандартным чайным пакетикам, рекомендуемым авторами методики.
Получены коэффициенты пересчета, чтобы существенно облегчить использование наших результатов в международных проектах Tea Bag Index. Показано, что в городских почвах микробное сообщество активнее разлагает более сложный по химическому составу растительный материал. Такой эффект в условиях города можно объяснить повышением температуры почвы и увеличением pH.
Данное исследование послужило основой для организации волонтерского проекта с целью создания национальной базы данных мониторинга микробной активности почв различных регионов России.
Ivashchenko K., Gavrichkova O., Korneykova M., Vasenev V., Salnik N., Saltan N., Sarzhanov D., Babenko E., Urabova S., Slukovskaya M., Zavodskikh M., Gorbov S., Petrov D., Dolgikh A., Sotnikova Yu, Vasileva M., Skripnikov P., Ryzhkov O., Nikerova K., Sushko S., Ananyeva N.D., Bochko T., Kuzyakov Y. Extension of the soil monitoring network via tea bag initiatives: A 3000 km latitudinal gradient in European Russia // Science of The Total Environment. 2024. V. 927. 171881. (https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.171881)
Модель нейронной сети для детекции отдельных деревьев была разработана на основе архитектуры YOLOv4 с дополнительными этапами пред- и постобработки. На этапе предобработки данные расширялись путем случайного вырезания фрагментов из изображений и вычисления размеров якорных рамок с помощью алгоритма кластеризации K-means, а постобработка включала модификацию блока YOLO с увеличением веса ложных срабатываний в функции ошибки и внесением изменений в алгоритм подавления немаксимумов. Нейросеть была обучена на наборе снимков, сделанных в снежный сезон, так как наше сравнение многосезонных снимков показало, что зимние снимки являются наилучшими с точки зрения доли визуально идентифицируемых деревьев. Для сравнения использовались базовые нейронные сети YOLOv4 и YOLOv5, как с предварительной тренировкой на наборе данных MS COCO, так и без нее. Модель, разработанная нами, показала значительно лучшие результаты (в 2-10 раз) по метрике mAP 0.5 по сравнению с рассмотренными альтернативами.
Portnov A., Shubin A., Frolova G. The effect of pre- and post-processing techniques on tree detection in young forest stands from images of snow cover using YOLO neural networks // European Journal of Forest Engineering. 2024 doi:10.33904/ejfe.1462335. (принята к печати)
Возможность применения вегетационных индексов, в частности NDVI, в качестве предиктора пространственной изменчивости почвенных свойств является весьма полезным инструментом для адаптации различных агротехнологий к конкретным условиям среды. В последние два десятилетия в черноземной зоне России активно развивается технология нулевой обработки почвы. В связи с этим нами была оценена прогностическая способность NDVI в понимании пространственной изменчивости различных показателей плодородия почвы при использовании нулевой обработки агрочерноземов типичных и выщелоченных. Выявлено, что для агрочерноземов выщелоченных NDVI значимо коррелирует с содержанием в почве питательных элементов (Сорг, N, K, Сорг:N), в то время как для агрочерноземов типичных такой связи не обнаружено.
Sushko S, Ivashchenko K., Dobrokhotov A., Orlova L., Zakharova E., Gerasimov E., Neprimerova S. NDVI as a proxy of soil fertility under no-tillage: features for different Chernozems and applied treatments in Russian forest-steppe region // Biological Communications. 2024. No. 4. (принята к печати)
Выявлено, что после 9 лет параллельного функционирования агроценоза и постагрогенных экосистем максимальные запасы общего углерода в почвенном слое 0–30 см характерны для залежи под молодым берёзовым лесом (72 т С га-1), а минимальные (45 т С га-1) – для пашни. Актуальная скорость накопления общего углерода в почвах залежей может составлять 0,9 и 2,4 т С га-1 год-1 для лугового разнотравья и молодого леса, соответственно. Соотношение С:N в почвах залежей за 9-летний период увеличилось в 1,2–1,5 раза в слое 0–5 см. С глубиной отношение С:N снижалось. Отмечено уменьшение скорости базального дыхания почвы в слое 0–10 см в ряду: залежь под луговым разнотравьем ˃ залежь под молодым берёзовым лесом ˃ пашня. Выявлена тенденция увеличения БД:С в верхнем слое (0–5 см) почв пашни и залежи под луговым разнотравьем в 1,2 раза за наблюдаемый период. Для залежи под молодым берёзовым лесом показана обратная тенденция – уменьшение БД:С в 1,9 раза.
Таким образом, конверсия пахотных почв в залежи, занятые луговой или молодой лесной растительностью, как в хроноряду, так и во времени приводит к накоплению общего углерода, что наиболее заметно в верхней части почвенного профиля (слой 0‒5 см).
Романова А.И., Маханцева В.А., Лебедева Т.Н., Волкова Т.Ю., Журавлева А.И., Митрохина Е.С., Курганова И.Н., Иващенко К.В. Пространственно-временной анализ почвенных показателей углеродного цикла в постагрогенных экосистемах южного Подмосковья // Почвы и окружающая среда. 2024. 7(3). e261. (https://doi.org/10.31251/pos.v7i3.261)
Разработан подход к оценке эффективности агротехнологии нулевой обработки черноземов в целях накопления (секвестрации) почвенного углерода, который был апробирован в условиях Среднего Поволжья. Статистически подтверждено, что предложенная технология в условиях Среднего Поволжья способна значимо увеличивать почвенные запасы органического углерода со скоростью 0.43-1.22 т С / га в год, а ежегодная экономическая выгода от ее внедрения в агрохозяйствах может достигать ~2000-4000 руб / га при продаже углеродных единиц на бирже.
Иващенко К.В., Сушко С.В., Дворников Ю.А., Мирный Л.А., Орлова Л.В., Ананьева Н.Д., Непримерова С.В., Юдина А.В., Троц Н.М. Запасы почвенного органического углерода при нулевой обработке почвы в условиях Среднего Поволжья // Агрохимия. 2023. № 12. С. 47-56. (https://doi.org/10.31857/S0002188123110066)
Показано, что увеличение продолжительности сухих периодов неоднозначно влияет на интенсивность гетеротрофного (микробного) дыхания почвы и может быть причиной как его усиления, так и ослабления. Изменение высоты снежного покрова повлияло на годовое гетеротрофное дыхание почвы сильнее, чем усиление летней засушливости. Это свидетельствует о том, что зимний период является критически важным для формирования общего экосистемного обмена в контексте изменения климата. Варьирование гетеротрофного дыхания почвы при 0°С, как и величина коэффициента температурной чувствительности, были тесно связаны со средней зимней температуры почвы. Это показывает, что разложение органического вещества почвы на многолетнем масштабе связано в числе прочих причин с условиями зимнего промерзания почв.
Khoroshaev D.A., Kurganova I.N., Lopes de Gerenyu V.O. Heterotrophic soil respiration response to the summer precipitation regime and different depths of snow cover in a temperate continental climate // Eurasian Soil Science. 2023. Vol. 56. (11). P. 1667-1682. (https://doi.org/10.1134/S1064229323601932)
На опытном стационаре ФГБНУ ВНИИФ (55.631902°N, 36.950092°E, Московская обл., Одинцовский район, зона смешанных лесов) была проведена оценка пулов почвенного органического углерода (C) и его потерь при минерализации органического вещества в агродерново-подзолистой почве в эксперименте с различными дозами биокомпоста под овощные культуры (баклажан, томат, кабачок, капуста). В краткосрочном полевом эксперименте показано положительное влияние биокомпоста на урожайность овощных культур, которое сочеталось с увеличением запасов C почвы без значительных изменений скорости минерализации ее органического вещества.
Соколов Д.А., Хорошаев Д.А., Маханцева В.А., Ананьева Н.Д., Азарова А.Б., Демин Д.В., Романова А.И., Иващенко К.В. Показатели углеродного цикла в агродерново-подзолистой почве после внесения биокомпоста: краткосрочный полевой эксперимент // Агрофизика. 2023. № 4. С. 40-49. (https://doi.org/10.25695/AGRPH.2023.04.06)
Закономерное изменение биоклиматических условий с высотой определяет последовательную смену растительных сообществ в горных ландшафтах, т.е. высотную поясность. Вместе с тем закономерности пространственной изменчивости дыхания почвы остаются до сих пор малоизученным. Поэтому нами был выбран горный склон с выраженной высотной поясностью (Северо-Западного Кавказ; 1260–2480 м н.у.м.), вдоль которого одномоментно была оценена почвенная эмиссия СО2. Оказалось, что эмиссия СО2 в лесных сообществах была вдвое меньше, чем в луговых. При этом основными драйверами ее пространственной изменчивости были температурно-зависимый фермент – хитиназа (лесные сообщества) и обилие злаков (луговые сообщества).
Sushko S., Ovsepyan L., Gavrichkova O., Yevdokimov I., Komarova A., Zhuravleva A., Blagodatsky S., Kadulin M., Ivashchenko K. Contribution of microbial activity and vegetation cover to the spatial distribution of soil respiration in mountains. // Front. Microbiol. 2023. V. 14. (https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1165045)
Определены пространственно-временные факторы изменения потоков СО2 и запасов органического углерода (С) в почвах различных экосистем европейской территории России. На примере широкого ряда горных экосистем, выявлено, что в лесах пространственная вариация эмиссии СО2 из почвы связана с активностью температурно-чувствительного фермента хитиназы (дыхание микроорганизмов), а на лугах – с обилием злаков (дыхание корней).
Показана ведущая роль сезонности и экстремальных погодных условий в динамике микробного и корневого дыхания почвы. В зимний период доминировал вклад микробного дыхания, доля которого значительно снижалась при промерзании почвы, а в летний период – корневое дыхание с тенденцией уменьшения вклада при засухе.
Пространственное распределение запасов С в верхнем слое почвы в зоне смешанных и широколиственных лесов было обусловлено 4-мя основными предикторами: тип экосистемы, удаленность от автомагистралей, экспозиция склона и тип почв. При этом вклад остальных рассмотренных факторов (морфометрические характеристики рельефа) оказался не значимым.
В условиях лесостепной зоны показан высокий потенциал пахотных земель к накоплению С в верхних слоях почвы в течение 40 лет после прекращения хозяйственной деятельности человека. Выявлено увеличение доли дисперсной фракции в общем запасе С в изученном сукцессионном хроноряду: от пашни к залежи и коренному лесу, что, по-видимому, связано с большим количеством поступающих в почву растительных остатков.
Результаты многолетнего мониторинга почвенных запасов и потоков С в этих биоклиматических зонах позволили верифицировать модели RothC и T&P для последующей прогнозной оценки их динамики в контексте различных сценариев.
На территории зарастающих пашен (залежь ~19 лет) проведен сравнительный анализ аэрофотоснимков и натурных наблюдений, который показал, что для машинного обучения с целью оценки запасов С в фитомассе наиболее оптимальными являются весенние и летние съемки по сравнению с осенними.
Молодежная Лаборатория карбомониторинга наземных экосистем располагается на базе Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН)
ул. Институтская, дом 2, корп. 2.,
Пущино, Московская обл. 142290, Россия
старший научный сотрудник, зав. лабораторией
к.б.н.
экология, микробиология
старший научный сотрудник
PhD Atmos. Sci., к.т.н.
преобразование возобновляемых видов энергии, установки и комплексы на их основе, Atmospheric Scie
старший научный сотрудник
к.г.н.
физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов
научный сотрудник
к.б.н.
почвоведение
научный сотрудник
к.г-м.н.
картография
научный сотрудник
к.б.н.
экология
научный сотрудник
к.б.н.
физиология и биохимия растений
отсутствует
младший научный сотрудник
отсутствует
инженер лесного хозяйства
отсутствует
отсутствует
отсутствует
младший научный сотрудник
отсутствует
агрохимия и агропочвоведение, биология
отсутствует
младший научный сотрудник
отсутствует
экология и природопользование
отсутствует
отсутствует
отсутствует
отсутствует
младший научный сотрудник
отсутствует
экология
отсутствует
отсутствует
младший научный сотрудник
отсутствует
биология
отсутствует