Научная проблема предлагаемого проекта - уточнение запасов углерода в лесных почвах с учетом вклада наиболее пассивной формы углерода, пирогенного. Актуальность проблемы состоит в необходимости учета влияния учащающихся лесных пожаров на цикл углерода в лесных экосистемах. Подобные работы особо востребованы в свете задач, поставленных по Парижскому соглашению.
Новизна предлагаемого исследования заключается, во-первых, в учете запасов пирогенного углерода в прослойке под лесной подстилкой. По нашим грубым предварительным оценкам эти величины могут составлять 10-40% от запасов углерода в органических поверхностных горизонтах. Это изрядная прибавка в общую копилку запасов почвенного углерода, даже с учетом того, что в подстилках 20-30% углерода от общих запасов. Во-вторых, уточнить запасы общего и пирогенного углерода поможет выбор аналитического метода, наиболее адекватно их определяющего в минеральных горизонтах почв. Эти сведения важны для оценки запасов стабильного углерода в лесных почвах, а также вероятности потенциального вклада лесных почв в выбросы углекислого газа в атмосферу при различных нарушениях (пожары, рекреация, рубки). В третьих, у нас есть пилотные работы, результаты которых позволяют предположить негативное влияние пирогенного углерода на начальные стадии развития растений, а следовательно, потенциальную опасность затягивания восстановительных стадий послепожарных лесов. Если наше предположение о фитотоксичности пирогенного углерода подтвердится, следует разрабатывать мероприятия по нейтрализации этой функции прослоек и включений в минеральные горизонты почвы Сpyr на лесных гарях.
Современное состояние исследований по данной проблеме.
В Ленинградской области природные низовые пожары в сухих сосновых лесах формировали восстановительно-деграционные сукцессии: верещатник – брусничник – бруснично-черничник с елью. Каждый пожар возвращал экосистему на более ксероморфную и менее продуктивную стадию (Чертов, 1981). В последние годы лесные пожары происходят все чаще, и возгорания лесов преимущественно вызваны человеком. Сокращение межпожарных периодов приводит к деградации лесных экосистем (Санников, 2014). Степень повреждения леса зависит от силы и вида пожаров, типа растительности и почв и т.д. При низовых пожарах высокие температуры (300-900°С и более) действуют на поверхностные слои почв (Neary et al., 1999), оставляя пятна обуглившихся растительных остатков и золы, перемежающиеся куртинами живых растений и пятнами голого минерального грунта. Частично озоляются и обугливаются корни. В поверхностных минеральных горизонтах повышается реакция среды, увеличиваются степень насыщенности обменными основаниями, содержание подвижных органических и минеральных соединений (Краснощеков и др., 2007; Журкова, 2014; Морозова, 1991; Bodi et.al, 2012; Neary et. al, 1999). Древесные угли, обладая высокой сорбционной способностью, активизируют жизнедеятельность почвенной микробиоты, понижают отношение С/N за счет увеличения содержания минерального азота (Wang et al., 2016). В то же время отмечены и негативные изменения: увеличение нагревания и сухости поверхностных горизонтов лесных почв, а также возрастание их гидрофобности (Dymov et al., 2018). Изучению постпирогенного баланса элементов уделено значительное внимание в научных исследованиях (Дымов и др., 2014), а размеры накопления древесных углей в почвах изучены пока еще мало.
Древесные угли сохраняются в почве долго, представляя собой пул пассивного углерода (С). Древесные угли модифицируют балансовые характеристики послепожарного биологического круговорота веществ. По нашим оценкам, только в прослойках, мощность которых 1-3 см, древесных углей может содержаться до 40% С от запасов в лесных подстилках (Надпорожская, Мухиев, 2020). Учет запасов углерода древесных углей будет способствовать уточнению общих запасов С в почвах лесных экосистем.
В классификации почв России (Классификация..., 2004) в почвах дренированных территорий (подзолах и подбурах) пирогенный подзолистый горизонт не выделен. Индекс «pir» был предложен только для торфяных почв. Во Всемирной классификации почвенных ресурсов WRB введен индекс «pyr». И в работах отечественных авторов тоже перешли к такому обозначению (Дымов с соавторами и др.).
Для уточнения запасов углерода в лесных почвах проводились и проводятся фундаментальные работы (Алексеев, Бердси, 1998; Уткин и др, 2004; Аккумуляция..., 2018; Кузнецова и др, 2019, 2020; и мн. др.). При этом вклад углерода древесных углей отдельно нигде не учитывался.
Результаты проекта могут быть востребованы для оценки запасов углерода в лесных почвах, прогноза продуктивности лесных земель, математического моделирования динамики углерода лесных почв и лесных экосистем, а также могут быть использованы для научных работ по Парижскому соглашению. Проверка гипотезы о токсичности минеральных горизонтов с включениями Сpyr важна, поскольку токсичность почвенных проб из подзолов ранее не отмечена. Решение этого вопроса может способствовать рационализации лесовосстановительных мероприятий после пожаров.
Современное состояние исследований по данной проблеме;
Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта
одготовительные работы.
Будут проведены комплексные работы, включающие в себя камеральный этап с изучением уже полученных ранее данных по обследованию 6 ключевых участков сосновых лесов Ленинградской области, развитых на подзолах и подбурах. Будут дополнительно определены аналитические характеристики для проб, содержащих Cpyr (прослойка древесных углей и пробы из подзолистых и иллювиально железистых горизонтов, содержащих древесные угли). Будут изучены литературные материалы по степени поражения лесными пожарами Ленинградской области, материалы по геоботаническим и почвенным обследованиям сосняков-зеленомошников на песках, будут намечены места для новых ключевых участков.
Будут написаны обзоры: 1. Методы и точность учета запасов органического углерода в лесных почвах (полевые и лабораторные этапы, их особенности, детальность, вероятные погрешности измерений, игнорирование замеров - оправданное и непредумышленное, рутинное). 2. Методы определения пирогенного углерода в почвах.
Полевой этап.
На ключевых участках в межкроновых пространствах будет заложено по основному почвенному разрезу, проведено морфологическое описание и отбор почвенных проб. Отбор проб минеральных горизонтов - стальным кольцом объемом 100 см3 в пятикратной повторности для определения объемной массы, влажности и проведения физико-химических почвенных анализов. Для учета запасов органического углерода, содержащегося в лесной подстилке - с площадки 25×25 см из живых и отмерших частей мхов, по подгоризонтам (L (O'), F (O''), H (O''')) в пятикратной повторности для каждого участка. Также отбор прослойки АОpуr, представленной смесью детрита, древесных угольков и песка. Обычно с ключевой площадки отбираем 65 органических и 26 минеральных образцов. Будут также отобраны большие пробы из минеральных поверхностных горизонтов со следами пирогенеза (включениями древесных угольков) для проведения биотестирования - по 10 кг. Биоразнообразие будет оценено на пробных площадях 20×20 м для описания древесной растительности и на сериях мелких площадок (по 5 на каждом ключевом участке) 0,25 м2 для описания травяно-кустарничкового и мохово-лишайникового покровов. Выезды на ключевые участки будут совершаться летом, пробы почв будут доставляться в лабораторию.
Лабораторный этап - повторяющийся, следует за каждым полевым выездом.
Свежие почвенные пробы будут высушены, а также в них будут определены некоторые срочные показатели ( влажность на момент пробоотбора, масса сухих почвенных проб).
Лабораторный этап - основной.
Определение физико-химических свойств почв с помощью методик, описанных в руководствах по химическому анализу почв (Аринушкина, 1970; Растворова, 1983; Химический анализ почв, 1995).
Определение гигроскопической влаги (75°С) и потерь при прокаливании (600°С);
Определение плотности минеральных горизонтов почв, отобранных с помощью стального кольца объёмом 100 см3;
Определение запасов органического вещества в лесной подстилке и минеральных горизонтах почв;
Определение общего углерода методом Тюрина в модификации Никитина (бихроматный метод);
Колориметрическое определение общего азота методом Несслера;
рН водной и солевой суспензии потенциометрически в соотношении почва : вода (раствор KCl) 1:2,5 - для минеральных горизонтов и 1:25 - для торфяно-подстилочных.
Определение мезоморфологического строения проб почв с помощью микроскопа Leica DFC 320.
Статистическая обработка данных будет проведена в программе IBM SPSS Statistics версия 25 по апостериорному критерию Стьюдента-Ньюмена-Келса.
Биотестирование
Опыты по определению вероятной токсичности будут проведены сотрудниками Лаборатории методов реабилитации техногенных ландшафтов (Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности Российской академии наук). Пробоподготовка больших объемов почв для биотестирования, стандартные физико-химические анализы, подбор почв-контролей и растений для биотеста, проведение биотестирования, обработка результатов.Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно-загрязненных почв разработана в этой же лаборатории, имеет государственнуюаккредитацию (Капелькина Л.П., Бардина Т.В, Бакина Л.Г., Чугунова М.В., Герасимов А.О., Маячкина Н.В., Галдиянц А.А.) СПб: Изд-во «Фора-принт», 2009. 19 с. (М-П-2006 ФР.1.39.2006.02264).
Первые результаты по биотестированию могут быть получены к концу года.
Камеральный этап - заключительный для 1 года работы.
Обобщение полученных данных, написание статей, организационные этапы для участия в конференциях. Возможна совместная публикация тезисов по материалам биотестирования с сотрудниками лаборатории методов реабилитации техногенных ландшафтов.
Написание отчета в РНФ.
Второй год. 2023.
Камерально-лабораторный этап.
Ревизия полученных результатов. Уточнение полевых описаний почв, корректировка по мезоморфологическим исследованиям с электронной лупой, таксономическая работа - проект названий почв с учетом физико-химических свойств лесных подстилок, их морфологии и наличия (количества и качества) пирогенных материалов.
Написание рукописей по первому году работ, отправка в журналы для публикации.
Продолжение лабораторных работ.
Определение содержания разных форм углерода в почвенных пробах разными методами (мокрая химия в лаборатории силами исполнителей проекта, определения на анализаторе в РЦ СПбГУ или силами сотрудников кафедры).
Выбор методов селективного определения Сpyr. Испытание этих методов на наших пробах. Анализ полученных результатов. Расчет запасов углерода в изученных почвах с учетом вклада Сpyr.
Окончание работ по биотестированию, подведение итогов.
Полевой этап.
Проведение дополнительных уточняющих работ на ключевых участках в сосновых лесах Ленинградской области.
Заключительный камеральный этап.
Обобщение результатов, написание заключительного отчета, отправка подготовленных рукописей в журналы.
Научный задел
Зубкова, Е. В., Фролов, П. В., Быховец, С. С., Надпорожская, М. А., & Фролова, Г. Г. (2022). Анализ экологических факторов, определяющих мозаичность кустарничков в сосняках южного Подмосковья, моделирование их влияния на динамику органического вещества почвы // Лесоведение. 2022. №1
Надпорожская МА, Павлов БА, Мирин ДМ, Якконен КЛ, Седова АМ. Влияние лесных пожаров на формирование профиля подзолов. БИОСФЕРА. 2020;12(1):1-14. https://doi.org/10.24855/BIOSFERA.V12I1.525
Чертов О.Г., Надпорожская М.А. Формы гумуса: концепции, классификации, перспективы развития и использования // Почвоведение. 2018. № 10. С. 1-13. DOI: 10.1134/S0032180X18100027. Импакт-фактор РИНЦ 2016 1,840
Chertov, O. G. & Nadporozhskaya, M. Humus Forms in Forest Soils: Concepts and Classifications // Eurasian Soil Science, 2018, Vol. 51, No. 10, pp. 1142–1153. DOI: 10.1134/S1064229318100022 Q3

Nadporozhskaya MA, Chertov OG, Bykhovets SS, Shaw CH, Maksimova EY, Abakumov EV. Recurring surface fires cause soil degradation of forest land: A simulation experiment with the EFIMOD model. // Land Degrad Dev. 2018; 29, 7, pp. 2222-2232. https://doi.org/10.1002/ldr.3021 Q1
Chertov, O., Nadporozhskaya, M. Development and application of humus form concept for soil classification, mapping and dynamic modelling in Russia. Applied Soil Ecology. 2018. Vol. 123, 420-423. https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2017.04.006 или https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ldr.3021 Q1
Zanella A., Ponge J.-F., Fritz I., Pietrasiak N., Matteodo M., Nadporozhskaya M., Juilleret J., Tatti D., Le Bayon R.-C., Rotschild L., Mancinelli R. Humusica 2, article 13: Para humus systems and forms // January 2018. Applied Soil Ecology 122(Part 2):181-199. DOI10.1016/j.apsoil.2017.09.043. Q1
Надпорожская М.А., Зубкова Е.В., Фролов П.В., Быховец С.С., Чертов О.Г. Соподчиненность почвенных условий и растительных сообществ в сосняках как следствие действия комплекса факторов // Вестн. ТвГУ. Сер. Биология и экология. 2018. №2. С. 122-138. Импакт-фактор РИНЦ 2016 0, 296