Ямало- Ненецкий автономный округ (далее – ЯНАО) является ключевой опорной зоной Российской Федерации в Арктике и представляет особый интерес как территория, где происходило как масштабное освоение земель, мелиорации, так и неконтролируемый перевод их в залежное состояние и последующее выведение за последние годы. Все это привело к формированию хронорядов почв с разной степенью воздействия агрогенных факторов. Действующие и залежные агроэкосистемы являются уникальными объектами, которые представлены моделями развития, деградации, проградации и в целом – эволюции компонентов биогеоценозов во времени и пространстве в связи с разнонаправленной динамикой агрогенного воздействия в течение XX- века на территории РФ. В послесоветское время огромные территории агроландшафтов перешли в залежное состояние (Люри, 2007), что привело к трансформации почвенного покрова и свойств почв, а также нередко выражалось в деградации почвенного плодородия. С другой стороны, почвы залежных земель стали потенциальным акцептором органического углерода в составе гумуса и других фракций органического вещества. Последний аспект крайне важен для верификации отдельных параметров углеродного баланса в динамически развивающихся антропогенных экосистемах, в том числе, агрогенных. Обширные территории Севера Западной Сибири в этом смысле представляет особый интерес, поскольку здесь происходило как масштабное освоение земель, так и неконтролируемый перевод их в залежное состояние и выведение их из залежного состояния в последние три десятилетия. Имели место также процессы осушения и других интенсивных мелиоративных воздействий.
Все это привело к формированию большого разнообразия почв с разной степенью прошлого и продолжающегося воздействия агрогенных факторов. Эти природно-антропогенные модели могут быть использованы в качестве рядов проградации и деградации почв и анализа динамики развития во времени их микробного сообщества, включая главные генетические маркеры и микробиомный портрет.
Молекулярные данные, прежде всего, о функциональной и таксономической структуре почвенного микробиома могут быть использованы для оценки роли почвенных микробиомов в формировании плодородия почв. Данные о почвенном микробиоме могут быть использованы в качестве чувствительных агроэкологических индикаторов, откликающихся на весь комплекс биотических и абиотических факторов, определяющих состояние почв.
Изучение агроэкосистем на микробиомном и молекулярном уровне позволит установить основные функциональные драйверы почвенных процессов и выявить параметры, позволяющие оценивать важнейшие экосистемные услуги агропочв в условиях интенсивной деградации или проградации.
Ключевые опорные зоны Российской Федерации в Арктике рассматриваются как территории интенсивного развития. Одной из таких зон является Ямальский опорный регион. В связи с этим изучение микробиологических ресурсов почвенного покрова в этом регионе будет способствовать воплощению мероприятий по экологизации земледелия и увеличению продуктивности агроэкосистем в условиях сурового климата. При этом необходимо полноценное комплексное изучение агропотенциала почвенного покрова в ЯНАО с целью последующей экологизации земледельческих практик и увеличению продуктивности агроэкосистем в условиях сурового заполярного климата, а в перспективе – реализации зеленой экономики округа.
Мониторинг почв в Ямало-Ненецком автономном округе, пригодных для выращивания экологически чистых овощных культур дополнительно актуализируется в проблеме решения современной продовольственной безопасности населенных пунктов, находящихся в непосредственной зависимости от транспортной инфраструктуры, в связи с их территориальной удаленностью от производителей необходимых видов сельскохозяйственной продукции. Эта значимость усиливается жесткой конкуренцией за рынки сбыта сельскохозяйственной продукции, особенно в зонах рискованного земледелия. Учитывая зависимость ЯНАО от внешних поставок пищевых продуктов, необходимо определить возможные условия освоения территорий для обеспечения продовольственной независимости округа собственной экологически чистой овощной продукцией.
В связи с вышесказанным второй этап выполнения проекта посвящен изучению микробиома залежных и природных фоновых почв отдельных районов ЯНАО, а также изучению параметров плодородия и экотоксикологического состояния почв региона. Особое внимание также посвящено монетизации экосистемных услуг почв в контексте развития систем экологического и экологизированного менеджмента агроэкосистем.
Примеры освоенных и неосвоенных участков туднры, исследованных в ходе выполнения второго этапа, приведены на рис. 1

Рис. 1 Неосвоенная (1) и освоенная территория. г. Салехард
Примеры залежных почв центральной части ЯНАО приведены на рис. 2. В ходе морфологических исследований выявлено, что, как правило, залежные почвы ЯНАО долго сохраняют выраженный гумусовый старопахотный горизонт. Подобное нетипично для почв бореального пояса, в которых деградация гумусированной толщи происходит быстрее. Скорее всего, относительная консервация органического вещества в почвах криолитозоны связана именно с термическим режимом почв. В бореальных залежных экосистемах при наступлении мелколиственного леса и дальнейшей сукцессионной смены наблюдается быстрое формирование вторичного элювиалнього профиля. В случае же тундры и лесотундры изученных участков ЯНАО, агрогумусовый горизонт долгое время остается стабильным и не замещается криогенным, последнее может быть связано с опусканием верхней границы многолетнемерзлых породы и увеличением мощности деятельного слоя.

Рис. 2. Примеры залежных почв центральной части ЯНАО. 1, 2 – агроземы, 3,4- аргоподзолы, 5,6 – агроподзолистые, 7 – агрокриозем, 8 – агроторфяноглеезем.

Залежные почвы ЯНАО весьма разнообразны по морфологии и таксономии. В южной части ЯНАО, например, в Надымском районе в советское время осваивались подзолы, окультуренные после глубокой плантажной вспашки. Пример такой почвы приведен на рис. 3. На таких почвах сейчас реанимируются практики пригородного огородничества в окрестностях г. Надым (рис. 4), однако без внесения минеральных и органических удобрений, урожай погибает на корню от июньских заморозков, что крайне наглядно иллюстрирует правило Либиха. Очевидно, что бедные элементами питания почвы огородов не могут быть продуктивными без интенсивного внесения удобрений. Изучены также залежные почвы г. Салехард, пос. Мужи и дер. Ямгорт (рис. 5). На фотографиях почвенных профилей видно, что они включат мощный гумусовый горизонт, который образовывался в результате внесения большого количества органических удобрений. Подобные почвы в европейском почвоведении обозначаются как plaggen soils.
Рис. 3. Фоновые подзолы (а) и окультуренные варианты после плантажной вспашки (б)
Рис. 4. Огородничество в Надымском р-не ЯНАО в июле: картофель (а), огурец (б), лук и морковь (в)
Рис. 5. Почвы мониторинговых площадок.
В исследуемых районах под огороды и поля, как правило, выбирают хорошо дренированные, незатопляемые паводковыми водами участки, достаточно высоко расположенные от рек и других водоемов, незаболоченные территории тундры, закустаренные и залесенные участки высоких речных террас. На таких участках почвы, в основном, супесчаные, легко- и среднесуглинистые, дерново-луговые или дерново-подзолистые, обладающие более высоким плодородием и системой дренажа, при этом хорошо аккумулируют тепло, легче обрабатываются, меньше уплотняются и не заплывают при выпадении обильных осадков. На таких почвах моховая подушка маломощная, а растительность представлена (или включает) злаковые травы. Закустаренные площади более затратны для освоения, зато почва на таких участках плодородная, в то время как площади с незначительным растительным покровом (особенно лишайниковые фитоценозы) легче разрабатываются, но требуют внесения большого количества органических удобрений.
При выборе участков под огороды жители Шурышкарского и юга Приуральского районов, как и в районах Южной Гренландии (Agriculture.., 2019), предпочитают возделывать склоны хорошо прогреваемых солнцем южных направлений, где температурный режим почв более благоприятный.
Установлено, что наличие многолетнемерзлых пород оказывает влияние на рост и развитие сельскохозяйственных растений на северных территориях, предопределяет тепловые и физико-химические процессы, ослабляет микробиологическую активность, подавляет процессы нитрификации, особенно в естественных условиях, где преобладает грибковое разложение органического вещества. При этом, как отмечают исследователи, глубина залегания ММП понижается на распаханных участках и зависит от давности их освоения (Черных, Громик, 1999; Christopher Poeplau, Julia Schroeder, 2019). Так, по данным сотрудников Ямальской сельхозопытной станции на целинной тундре ММП залегают на глубине 20-30 см, на супесчаных дренированных участках уходят до 1 м, на вновь освоенных – до 1,2-1,5 на старопахотных – от 2-2,5 м (Черных, Громик, 1999). Наши наблюдения за почвами Ямальской опытной станции в пределах опытного поля в г. Салехард показывают, что глубина залегания ММП здесь находится в пределах 2-2,5 м, что уже не позволяет относить эти почв к Gelisols.
По результатам наших исследований, проведенных в период 2019-2020 гг. в Приуральском и Шурышкарском районах ЯНАО, на староосвоенных почвах агроценозов глубина залегания ММП опускалась на 80-90 см по сравнению с целинными аналогами, на «молодых» залежных почвах – на 7-17 см (табл. 1), что соотносится с результатами исследований в других циркумполярных регионах (Christopher Poeplau, Julia Schroeder, 2019). Данный вопрос необходимо продолжить исследовать, в том числе и для других районов ЯНАО: Пуровского, Красноселькупского и Надымского.
Таблица 1.
Глубина залегания многолетнемерзлых пород (ММП) на целинных и окультуренных почвах Приуральского и Шурышкарского районов ЯНАО в 2019-2020 гг.
Интересно также тот факт, что в июле 1986 года ММП в почве на поле Ямальской сельхозопытной станции отмечалось на глубине 165 см (Тихановский, 1991), в июле 2020 года – на 143 см.
Влияние ММП на почвенное плодородие предопределяет изменение температурного, водного и микробиологического режимов. Лесотундровые почвы с подавленным микробиологическим процессом очень важно содержать в рыхлом состоянии. Физические свойства можно улучшать внесением навоза, перегноя, опилок, соломы и т.д. При этом значительно улучшается химический состав почв. Так, опрос жителей Шурышкарского района (село Мужи, д. Ямгорт) показал, что мульчирование соломой, полиэтиленовой пленкой и опилками значительно улучшает урожайность таких культур, как картофель, свекла и морковь. В ходе экспедиций 2019-2020 гг. нами отмечены удачные попытки выращивания даже такой теплолюбивой культуры, как садовая клубника (рис. 6).

Рис. 6. Использование агротехнологии мульчирования на агродерново-подбуре иллювиально-железистом при выращивании клубники (слева – село Мужи, Шурышкарский район, ЯНАО, справа – рыбацкий пос. Товопогал, Приуральский район).
Так, в селе Горки (Шурышкарский район, ЯНАО) для выращивания клубники некоторые огородники под грядками прокладывают трубы с горячей водой, таким образом, почва прогревается достаточно для созревания этой культуры. В Приуральском районе – теплоизоляцию обеспечивают досками и дополнительным слоем песка. Интенсивное использование в Шурышкарском районе таких агромелиоративных мероприятий, как дренаж (рис. 5), также повышает урожайность сельскохозяйственных культур. Аналогичные практики применяют и в финской Лапландии (Christopher J. W. Edwards, 1972).

Полевые исследования 2021 г.
В августе 2021 г проведены полевые исследования залежных почв центральной части ЯНАО (г. Салехард, г. Лабытнанги, пос. Аксарка), пос. Сеяха и ряда рыбацких поселков, расположенных на берегах р. Обь. В городских экосистемах выявлены агроземы, формирующиеся по подзолу и подбуру, а также агроурбаноземы. Изучены также почвы опытного поля Ямальской опытной станции (г. Салехард) (рис. 6). Почвы рыбацких поселков нередко представлены почвами типа plaggen, с высоким содержанием органического вещества и с большое (до 40 см) мощностью гумусированного горизонта (рис. 8). В условиях изолированности поселков и дефицита травяных кормов для крупного рогатого скота, местные жители кормили коров травой с добавлением рыбы, образующийся навоз вносили в почвы, что привело к формированию мощных темноокрашенных почв. Изучены почвы действующих огородов рыбацких поселков. Установлено, что они изолированы от поверхности современных почв дощатым настилом, который спасает от грызунов и способствует улучшению термического режима. В результате, в условиях внесения органических удобрений формируются почвы, на которых возможно выращивание в открытом грунте картофеля, свеклы, лука, моркови, а в закрытом – томатов, огурцов и клубники даже на 66 градус с.ш.
Почвы полей и огородов Шурышкарского и Приуральского районов ЯНАО из-за повышенной кислотности регулярно известкуют (из расчета 300-500 г/м2 примерно каждые 3-5 лет), ежегодно, при осенней или весенней перекопке, вносят органические удобрения: навоз, торф, перегной, компосты, птичий помет (10-15 кг/м2 навоза, или 10-12 кг/м2 торфоизвесткового компоста). В деревнях ЯНАО в течение всего года собирают пищевые отходы в компостные бочки, а затем весной, при вспашке вносят в почву. В деревне Ямгорт, как и в п. Товопогал, которые являются этническими рыбацкими деревнями народа ханты, компосты делают из рыбных остатков. Подобная практика повсеместно распространена и в отдаленных рыбацких поселениях Аляски (Kalb T. Stevenson at all, 2014).
Профили отдельных почв и внешний вид агроландшафтов приведены на рис. 7.
Кроме того, проведено агрохимическое картографирование поля Ямальской опытной станции (отобрано 50 проб гумусового горизонта) и комплексное почвенно-агрохимическое обследование питомника В. Бурко (г. Салехард) – наиболее успешного питомника на полярном круге (рис. 9 и 10).
Рис. 7. поле Ямальской опытной станции, 2-х летняя залежь (с высоты 100 м) и агрозем альфегумусовый оглееный на аллювиально-эоловых супесях
Поле Ямальской опытной станции выделено с 1932 года и вошло в систему Полярного земледелия СССР (Абакумов, Моргун, 2020). Ежегодно там проводили эксперименты по внесению навоза и минеральных удобрений (N120P90K90) в разных пропорциях. В среднем навоза вносили от 60 до 120 т/га, также осуществляли известкование. Агрохимическими анализами было установлено, что внесение навоза и минеральных удобрений эффективно сказывается на повышении плодородия почвы, внесение минеральных удобрений по навозному фону обеспечивает относительно больший запас азота, фосфора и калия (Тихановский, 1991), Сравнив содержание азота, фосфора и калия в почве 2020 года (2-летняя залежь) с данными 1986 года (Тихановский, 1991) установлено, что за 34 года содержание подвижного фосфора в верхнем (0-20 см) слое почвы (агродерново-подбур иллювиально-железистый оглеенный) увеличилось в 2 раза; по сравнению с целинным аналогом – в 11,3 раза (за 88 лет). Содержание подвижного калия уменьшилось в 1,3 раза, и по сравнению с фоном – уменьшилось 1,95 раза. Содержание нитратного азота за 34 года уменьшился в 1,3 раза; в тундровой почве – не выявлено.
Рис. 8. огород в дер. Товопогол и агрозем по торфяно-глеевой почве



Рис. 9. Частный питомник В. Бурко, г. Салехард





Рис. 10. Аргосерогумусовый реплантозем (а) и органолитострат (б), используемый для формирования насыпных почв в тундре. Питомник В. Бурко.

Микробиологические исследования
Для мониторинга микробиологического разнообразия и агрохимических свойства почв были заложены мониторинговые площадки в г. Салехард и в д Ямгорт, где также имеются залежные почвы. Морфология почв приведена на рис. 5

Результаты агрохимического анализа почв приведены в табл. 1.
Табл. 1. Результаты агрохимического анализа почвы

Результаты агрохимического обследования обобщены и визуализированы на рис. 11. Из данных, приведенных на рис. следует, что, в основном, залежные почвы характеризуются более высокими показателями содержания фосфора и калия в верхнем органо-минеральном горизонте, что свидетельствует о высокой степени сохранности параметров плодородия ранее окультуренных почв при переходе их в залежь и дальнейшем существовании в течение двух-трех лет в залежном состоянии. При этом содержание углерода органических соединений в залежных почвах равно или ниже, чем в фоновых почвах. Различие в содержании может быть результатом гумификации и минерализации органического вещества в более аэрируемых почвах молодых залежей по сравнению с фоновыми почвами, содержащими большое количество грубодисперсного органического вещества подстилой и грубогумусированных горизонтов. Отдельные пробы этих же горизонтов были выбраны для проведения исследований почвенного микробиома.
Рис. 11. Параметры плодородия залежных агропочв и фоновых почв, пробы которых использованных для микробиологических исследований.


Выделение ДНК производили с использованием разработанной методики со стеклянными шариками различного диаметра в качестве абразивного материала. Разрушение почвенного образца производили на гомогенизаторе Precellys 24 (Bertin Technologies, Франция). Чистоту выделения и количество выделенной ДНК проверяли с помощью электрофореза в 1% агарозе в ×0.5 TAE-буфере. Средняя концентрация ДНК в пробе составляла 50 нг/мл. Очищенные препараты ДНК были использованы для проведения количественной ПЦР и создания ампликонных библиотек (праймеры F515 5'-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3' и R806 5'-GGACTACVSGGGTATCTAAT-3'), согласно инструкции к протоколу секвенирования, поставляемой фирмой ILLUMINA. Секвенирование и первичную обработку данных осуществляли на приборе Illumina MiSeq (Illumina, Inc., США) в ЦКП «Геномные технологии и клеточная биология» ФГБНУ ВНИИСХМ.
Обработку просеквенированных последовательностей гена 16S рРНК производили с использованием пакетов в программной среде R (R Core Team (2018). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. URL https://www.R-project.org/). В качестве среды разработки для R использовалась Rstudio (RStudio Team (2016). RStudio: Integrated Development for R. RStudio, Inc., Boston, MA URL http://www.rstudio.com/). Для тримминга, объединения последовательностей в филотипы и последующей обработки был использован пакет dada2 (Callahan BJ, McMurdie PJ, Rosen MJ, Han AW, Johnson AJA, Holmes SP (2016). “DADA2: High-resolution sample inference from Illumina amplicon data.” Nature Methods, 13, 581-583), позволяющий получить более воспроизводимые и точные результаты из-за использования алгоритмов денойзинга, а не кластеризации филотипов, в отличие от более классических подходов. Определение таксономической принадлежности филотипов было проведено при помощи классификатора RDP (Wang, Qiong & Garrity, George & Tiedje, James & Cole, J.R.. (2007). Naive Bayesian classifier for rapid assignment of rRNA sequences into the new bacterial taxonomy. Applied and Environment Microbiology. 73. 5264-5267) по базе Silva 138 (Christian Quast, Elmar Pruesse, Pelin Yilmaz, Jan Gerken, Timmy Schweer, Pablo Yarza, Jörg Peplies, Frank Oliver Glöckner, The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools, Nucleic Acids Research, Volume 41, Issue D1, 1 January 2013, Pages D590–D596). Для проведения части анализов проводилась нормализация данных c использованием алгоритма стабилизация по вариации (в составе пакета Deseq2 (Love, M.I., Huber, W., Anders, S. Moderated estimation of fold change and dispersion for RNA-seq data with DESeq2 Genome Biology 15(12):550 (2014) для сравнения относительной представленности филотипов в образцах. Для анализа альфа-разнообразия использовались Шеннона, обратный индекс Симпсона(в качестве теста для сравнения средних был использован попарно тест Манна-Уитни) (Kruskal, J.B. (1964a). Multidimensional scaling by optimizing goodness-of-fit to a nonmetric hypothesis. Psychometrika 29, 1–28. ), для анализа бетаразнообразия (для анализа бета разнообразия проводилось сравнение сообществ с построением матрицы их сходства/различия с использованием алгоритмов bray-curtis). Снижения размерности матриц сходств/различий при визуализации данных по исследованию бета-разнообразия проводилась с использованием NMDS (Faith, D. P, Minchin, P. R. and Belbin, L. (1987). Compositional dissimilarity as a robust measure of ecological distance. Vegetatio 69, 57—68). В качестве статистики разделения проб при анализе бета-разнообразия использовалась PERMANOVA (Anderson, M. J. (2017). Permutational Multivariate Analysis of Variance (PERMANOVA). In Wiley StatsRef: Statistics Reference Online (eds N. Balakrishnan, T. Colton, B. Everitt, W. Piegorsch, F. Ruggeri and J. L. Teugels). doi:10.1002/9781118445112.stat07841) представленная в виде теста adonis в составе пакета vegan (Jari Oksanen, F. Guillaume Blanchet, Michael Friendly, Roeland Kindt, Pierre Legendre, Dan McGlinn, Peter R. Minchin, R. B. O'Hara, Gavin L. Simpson, Peter Solymos, M. Henry H. Stevens, Eduard Szoecs and Helene Wagner (2019). vegan: Community Ecology Package. R package version 2.5-6. https://CRAN.R-project.org/package=vegan). При анализе вариативности бета-разнообразия использовался алгоритм PERMDISP2(vegan), достоверность различий была определен тестом Тьюки (Anderson, M.J. (2006) Distance-based tests for homogeneity of multivariate dispersions. Biometrics 62, 245–253. Для постобработки и визуализации полученных данных также были использованы пакеты R phyloseq, tidyverse и ampvis2 (phyloseq: An R package for reproducible interactive analysis and graphics of microbiome census data. Paul J. McMurdie and Susan Holmes (2013) PLoS ONE 8(4):e61217, Wickham et al., (2019). Welcome to the tidyverse. Journal of Open Source Software, 4(43), 1686, https://doi.org/10.21105/joss.01686, ampvis2: an R package to analyse and visualise 16S rRNA amplicon data. Andersen K.S., Kirkegaard R.H., Karst S.M., Albertsen M. (2018) bioRxiv)

Результаты микробиологических исследований приведены на рис. 12. Библиотеки гена 16S рРНК были были прочитаны для четырёх точек проботбора:
- г. Салехард: поле Ямальской агростанции: двухлетняя залежъ – field и зрелая тундра за пределами города - tundra
-- д. Ямгорт: огород, однолетняя залежь – garden и - зрелая тайга за пределами деревни - taiga




Рис. 12. График бета-разнообразия - NDMS по Брей-Кёртису. Все точки проботбора контрастно отличаются друг от друга.

Таксономические разнообразие изученных микробиомов контрастно отличается в зависимости от точки проботбора (Рис. 12). При этом стоит отметить, что в зависимости от исследуемых почв в микробиомах отличается внутригрупповая дисперсия по бета - разнообразию (Рис. 13).



Рис. 13 Внутригрупповая дисперсия бета-разнообразия.

Для индексов альфа-разнообразия (Рис. 14) было показано значительное увеличение для агроценозов(в большей степени для огорода д. Ямгорт, в меньшей для опытной станции) по сравнению с и контрольной почвой тайги и тундры. Данные результаты в целом нехарактерны для исследований агроценозов - обычно природные почвы показывают большее разнообразие микробиома. Это может свидетельствовать о формировании большего количества экологических ниш в профилях агропочв по сравнению с фоновыми. Таким образом, распашка и последующее использование почв в сельском хозяйстве может способствовать увеличению микробного биоразнообразия, но это вовсе не означает, что данный процесс полезен. Просто на данном этапе развития исследований данный факт необходимо учитывать, в том числе в с позиций возможных инвазионных микробиологических рисков при продвижении сельского хозяйства в северном направлении.
В свою очередь было показано, что внутригрупповая дисперсия бета-разнообразия обратно коррелирует с богатством микробиома (корреляция Пирсона - -0.65, p-value < 0.001). Судя по всему, адаптационные стратегии микробиома почв в процессе формирования агроценозов в Арктике может имеет другую (в данном случае скорее обратную) динамику, по сравнению с почвами бореального пояся.




Рис.14. Индексы альфа-разнообразия.

Рис. 15 Относительная представленность мажорных филотипов. Слева - для отдельных филотипов, справа - для фил.

Таксономический состав (Рис. 15) исследуемых почв в целом характерен для почв криолитозоны. Для почв тундры характерно увеличение автотрофной анаэробной компоненты микробиома (Chloroflexi). Почвы залежных земель отличались отсутствием архейной азотредуцирующей компоненты (Nitrosospheracea) и наличием высокой доли азотфиксирующих микроорганизмов (Bradyrhizobium, Alphaproteobacteria) что указывает что даже для почв агроценозов характерна существенная нехватка доступных форм азота в почве. Также во всех исследуемых точках присутствует высокая доля представителей филы Acitobacteriota, характерных скорее для естественных местообитаний. Доля Actinobacteria в изученных почвах невелика по сравнению с таежными почвами природных и антропогенных местообитаний, что в определенной мере связано со спецификой данных почвенных местообитаний.
Обобщая все наши данные по микробиому почв ЯНАО (ранее получены данные по микробиомам почв рекультивированных и самозарастающих карьеров, песчаных раздувов, а также залежных почв в окрестностях г. Надым), полученные к завершению второго года исследований можно заключить следующее. Таксономический анализ почвенных микробиомов выявил 33 бактериальных и архейных типа, среди которых доминирующими были представители Proteobacteria, Acidobacteria, Actinobacteria, Bacteroides, Chloroflexi, Cyanobacteria, Firmicutes, Gematimonadetes, Patescibacteria, Plantomycetes, Thaumarchaeota и Verrucomicrobia. Анализ альфа- и бета-разнообразия показал, что ненарушенные (природные) почвы существенно отличаются от антропогенно-нарушенных (в том числе, агрогенных) по параметрам биоразнообразия микроорганизмов. Почвы урбанизированной зоны г. Салехарда отличались от всех остальных изученных почв по количеству OTUs и бета-разнообразию. При этом микробиом в верхних и нижних почвенных горизонтов, резвившийся под сильным антропогенным воздействием, был крайне неоднороден как по качественным, так и по количественным характеристикам. В то же время почвы, развитые в рекреационной зоне г. Салехарда, демонстрировали менее выраженную профильную дифференциацию микробиома (бывшие поля агроландшафтов и бывшие огородные почвы). Микробные сообщества в зрелых тундровых почвах демонстрировали менее дифференцированный состав микробиома по профилю почвы, что свидетельствует о существенной роли распашки на формирование экологических ниш в почвенной экосистеме. Установлено, что 13 из 30 идентифицированных филумов объясняют более 99% всего микробного разнообразия. Это исследование выявляет самые распространенные типы почвенных микроорганизмов в образцах, собранных из естественных и антропогенно загрязненных почв: Firmicutes (в среднем 26,86%), Proteobacteria (в среднем 23,41%) и Actinobacteria (в среднем 15,45%). Выявлено, что филум Firmicutes в основном распространен в почвах после пахотного воздействия, которые являются наиболее засушливыми (в период летних засух) и более аэрированными. Протеобактерии в основном описаны в почве зрелой тундры, а наличие актинобактерий объясняется расположением района исследований в относительно влажной части полуострова Ямал. Наибольшее количество наблюдаемых таксономических единиц (OTU) находится в антропогенных почвах с бывших полей, так как этот участок интенсивно использовался для ведения сельского хозяйства в течение последних десятилетий. В то же время наименьшее количество ОТЕ обнаружено в наиболее техногенно-загрязненной части города Салехарда.
Анализ бета-разнообразия микробных сообществ показал, что почва зрелой тундры имеет менее дифференцированный состав микробиома по профилю почвы, в то время как почвы из антропогенно затронутых районов Салехарда могут отличаться по составу микробиома при сравнении верхнего и нижнего горизонтов почвы. Описанное микробное сообщество в зрелой почве демонстрирует многие общие для арктического региона бактериальные таксоны.

Исследование микробиологической активности почв и фосфолипидных биомаркеров в условиях инкубационного эксперимента
180-дневное инкубационное исследование было проведено для оценки влияния элементов риска (ВИЭ) на использование органического углерода и микробиологическую активность в органических почвах Арктики в период летнего таяния снега. Почвы были искусственно обогащены Cd, Pb, Cr, Ni, Cu, As и комбинацией этих токсических элементов в соответствии с уровнями, измеренными в различных арктических почвах ранее (максимум-минимум) с промышленных объектов, загрязненных приоритетными неорганическими токсикантами. Результаты эксперимента приведены на рис. 16. В течение инкубационного периода микробиологическая активность и образование углерода микробной биомассы (Сmic) были сильно снижены, а значения микробного метаболического коэффициента (qCO2) были относительно высокими в пиковых дозах загрязнения. Это свидетельствует о том, что арктические почвы, микроорганизмы использовали больше энергии для метаболизма в условиях стресса от внесения токсических элементов. Содержание специфичных для микроорганизмов фосфолипидные жирные кислоты было понижено в почвах с повторным внесением дозы загрязняющих веществ по сравнению с контролем. Обилие как грибов, так и бактерий было снижено в ответ на внесение загрязняющих вещества на 14-24% и 1-55% соответственно. Биомаркеры фосфолипидных жирных кислот (рис. 17) указывают на изменение структуры и активности почвенных микробных сообществ под влиянием антропогенного загрязнения, что, следовательно, оказывает негативное влияние на дегумификацию почв (химическая дестабилизация почвы приводит в увеличению интенсивности метаболизма почвенного микробиома за счет ближнего резерва органического углерода). Таким образом, на примере почв окрестностей населенных пунктов Салехард, Лабытнанги, Харсаим, Аксарка, Надым, Новыей Уренгой, Газ-Сале была выявлена роль различных доз загрязнения на характер чередования биохимических реакций и метаболизма углеродсодержащих соединений и на динамику функционального состава микробиома почв. Полученные данные могут быть использованы для развития систем регионального нормирования химического загрязнения почв (гармонизация нормативов) и для разработки мероприятий по снижения антропогенно-индуцированной эмиссии углекислого газа.


Рис. 16. Динамика почвенного дыхания (а) и кумулятивного эмитированного углекислого газа (b) вариантах эксперимента (LD/HD – низкая/высокая доза.). Содержание микробной биомассы (с) и микробный метаболический коэффициент (d) в вариантах эксперимента.

Рис. 17 Содержание специфических жирных фософолипидных кислот в условиях эксперимента при загрязнении различными тяжелыми металлами. LD/HD – низкая/высокая доза.

По микробиологическому разделу опубликованы статьи в: BMC Bioinformatics (Q1), Polar research (Q2), IOP conference series (Q4)

Уррбаноземы и природные почвы ЯНАО: экотоксикологический и агрохимический статус.

Изучалось состояние почв, подвергшихся процессам урбанизации в арктическом регионе Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО). Изучались почвы, ранее использовавшиеся в сельском хозяйстве, которые в настоящее время включены в инфраструктуру городов Салехард, Лабытнанги, Харсаим и Аксарка в виде различных парков и скверов. Проведены морфологические, физико-химические и агрохимические исследования отдельных почв. Выявлены существенные различия в параметрах плодородия между урбанизированными заброшенными сельскохозяйственными почвами и нетронутыми почвами региона. Качество почвенных ресурсов оценивалось также с точки зрения их экотоксикологического состояния, а именно, определялись концентрации микроэлементов в почвах и оценивалось их текущее состояние с помощью расчетов различных индивидуальных и комплексных индексов качества почв. Наиболее подробно концентрации тяжелых металлов в почвах были изучены для гг. Салехард, Уренгой, Надым, Новый Уренгой и Газ-Сале (Ямало-Ненецкий автономный округ). Для различных функциональных зон внутри этих городов описана взаимосвязь между возрастом городов, уровнем антропогенной нагрузки, типом материнских пород и характером накопления металлов в почвенном профиле урбаноземов. Обнаружена прямая корреляция между содержанием Pb, Cr, Ni, As и сорбционными характеристиками почвы. В молодых городах, построенных на песчаных отложениях, наблюдается меньшее накопление тяжелых металлов в верхних почвенных горизонтах. Относительно более высокие концентрации Cu и Cd были отмечены в почвах промышленно-развитых городов, независимо от функциональных зон. Более высокое содержание Cr, Ni, Cu, Zn, As и Pb было зарегистрировано в старых зонах, используемых проживания населения. Рассчитанные значения индекса PI для некоторых функциональных зон молодых городов указывают на среднее и высокое содержание тяжелых металлов. Анализ индексов Igeo и PLI демонстрирует большое разнообразие характера загрязненности почв как в отношении отдельных городов, так и их функциональных зон.
Данные о профильном распределении ключевых экотоксикантов в природных и антропогенно-нарушенных почвах городских экосистем ЯНАО приведены на рис 18.
Проведены также почвенно-гидрогеохимические исследования природных экосистем централньой части Ямальского полуострова. Изучены один почвенный керн в тундровом ландшафте (недалеко от реки Таз) и два почвенных керна с приречной террасы (недалеко от реки Сеояха и реки Муртыяха) в Западной Сибирь, Россия) и надмерзлотные воды, а также воды поверхностных стоков и речные воды. Пробы воды были отобраны для анализа геохимических элементов. Геохимические закономерности для окружающих водоемов, прилегающих поверхностных вод рек и надмерзлых вод в целом были сопоставимы для большинства элементов, превышающих предел обнаружения (Zn, Mn, Sr, Fe, Mg, Cr, Co, V, Pb, Al и Ca), а их концентрации были самыми высокими в период с сентября по октябрь, что соответствует наибольшей глубине активного слоя. Наиболее информативным индикатором пространственной лабильности поверхностных вод оказался марганец. Несмотря на то, что геохимические элементы и DOC из мнолетнемерзлых пород и почв могут доставляться в смежные водоемы системы, латеральный сток иммобилизуемых элементов в поверхностные воды был низким. Полученные данные полезны для дальнейшего развития системы нормирования почв по параметрам их загрязнения с учетом особенностей криогенных местообитаний.

Рис. 18. Содержание тяжелых металлов в природных и антропогенно-нарушенных почвах

Опубликованы 2 статьи в журналах Minerals(Q2), Energies (Q2), Catena (Q1), Water Resources (Q1), Journal of Hasardous Materials (Q1)

Экосистемные услуги: идентификация и параметризация в условиях арктических экосистем ЯНАО
Рассмотрены различные категории экосистемных услуг, в том числе и почвенных, а также их податливость максимально точной оценке и дальнейшей монетизации. Рассмотрены виды негативного воздействия на арктические экосистемы и их оценка, инвестиционные риски, связанные с имплементацией отдельных экосистемных услуг. Показано, что применение методологии и аппарата экосистемных услуг способствует адекватной оценке и созданию иерархической классификации "полезности" и "выгод", которые общество может получить от существования, использования и неиспользования экосистем. Концепция экосистемных услуг в Арктике состоит из трех компонентов: идентификация, монетизация и оценка экологических рисков. Анализ возможных экосистемных услуг и их взаимосвязи с качеством жизни людей в российской Арктике указывает на значительные инвестиционные риски, связанные, в том числе, с внедрением системы органического земледелия и реэкспансией традиционных систем земледелия в арктические урбанизированные города
Как показывают расчёты, для полного обеспечения органическими удобрениями необходимо содержать не менее 1 головы крупного рогатого скота на гектар. В странах, специализирующихся на биологическом земледелии, соотношение минеральные удобрения : навоз составляет 5410 кг д.в. : 1 т. Стоимость навоза в Шурышкарском районе значительно варьирует: в с. Горки, где сохранился свой совхоз, самосвал навоза (5-6 т) стоит 5000 руб., тракторный прицеп (около 4 т) – 3000 руб. В с. Питляр, где нет своих животноводческих ферм, стоимость тракторного прицепа с навозом (4 т) стоит уже 10000 руб. В Красноселькупском районе (с. Толька, Ратта), в Приуральском районе (с. Аксарка, п. Белоярск) используют навоз с собственных коровников бесплатно.
Еще одна острая проблема для развития земледельческих практик – отток молодежи в города, сельское население, которое с советских времен активно занималось огородничеством, стареет, а молодежь выращивать овощи не стремится. Лишь небольшой процент местных жителей, которые живут в деревнях и не имеют работы, продолжают выращивать сельскохозяйственную продукцию на огородах.
На сегодняшний день механизм государственного регулирования аграрного сектора развивается путем системы дотирования. Однако, на территории ЯНАО земледельческие практики по ряду таких причин как отдаленность (проблемы логистики), зависимость от погодных условий, сложности в обработке полей, отсутствие рынка сбыта сельскохозяйственной продукции, низкая эластичость сбыта и медленный рост потребительских возможностей, ограничение в выборе продукции из-за природных условий и специфики аграрной отрасли, находятся в упадке.

Статья, принята к печати в Journal and Water Development (Q2)

Гидрофизические параметры отдельных почв ЯНАО
Проведены исследования наименьшей влагоемкости, полной влагоемкости и полевой влагоемкости – основных почвенно-гидрологических констант в нескольких профилях почв Ямальского региона (криоземах), полученные данные сопоставлены с аналогичными индексами для стратоземных почв Якутии. Подобные исследования необходимы для оценки параметров почвенного климата и дальнейшего имитационного моделирования трансформации органического вещества почв. С помощью статистических методов установлено, что в формировании водоудерживающей способности почв большую роль играет содержание физической глины, а не доля органического вещества в мелкоземе. Это связано, по всей вероятности, с низкой степенью траснформации органического вещества. По материалам исследований опубликована статья в журнале Soil Science Annual (Q2).

Изучение флоры урбанизированных экосистем ЯНАО
Изучены особенности формирования растительности в городах (Надым, Новый Уренгой) и поселках (Пангоды, Правохеттинский) севера Западной Сибири. Несмотря на близкое под-
зональное положение населенных пунктов, тенденции унификации их флор не выявлено. Даже в
том случае, когда населенные пункты принадлежали одной геоботанической подзоне, сходство со-
става их флор составило 40–47%. PCA-ординация 73 геоботанических описаний, а также результаты анализов почвенных проб показали, что ведущими факторами, влияющими на дифференциацию растительности по функциональным городским зонам (промышленной, рекреационной, селитебной), являются почвенные условия: кислотность, содержание элементов минерального питания, увлажнение. Объединяет растительность функциональных зон городов немногочисленный пул часто встречающихся видов-апофитов, обладающих широкой экологической амплитудой и высокой потенциальной способностью освоения различных вторичных биотопов. Нестабильность и динамичность видового состава городской растительности прослежена на примере трех населенных пунктов на 25-летнем промежутке времени. За этот период существенный вклад в формирование своеобразного облика растительности селитебных и рекреационных зон внесла нарастающая деятельность по благоустройству территорий: применение газонных травосмесей, внесение удобрений и посадки интродуцентов, а также стихийный и непреднамеренный занос новых адвентивных видов.
Полученные данные опубликованы в статья в Ботаническом журнале (Q4)
Таким образом, задачи второго этапа выполнения проекта выполнены полностью. Корректировка заключалась только в очередности отбора пробы – объекты г. Надым в первый год, объекты центральной части ЯНАО – второй год. Метагеномные данные полученные в данном отчете являются уникальными и для территории Западной Сибири получены впервые. Аналогов в РФ в данном контексте не существует. Кроме метагеномных исследований проведены исследования молеклярных биомаркеров и их динамики в условиях полихимического загрязнения почв. Проведено изучение почв урбанизированных территорий в Ямальском сектореАрктики, что ранее проводилось только в Мурманске, Воркуте и Якутске. Исследования почв городских экосистем были дополнены флористическими и геоботаническими исследованиями, что для ЯНАО с применением статистических методов также было сделано впервые. Функционирование криогенных экосистем ЯНАО в прикладном ключе рассмотрено в ключе классификации и монетизации экосистемных услуг почв.