Цель научного исследования

Разработать методы управляемой экогенетической сукцессии для запуска и контролируемого процесса рекультивации земель в инвариантных комбинациях биоклиматических и геогенных факторов на техногенных и постантропогенных землях в качестве инструмента адаптации и внедрения природоподобных технологий в реабилитацию нарушенных экосистем и осуществления природно-климатических проектов на карбоновых фермах с учетом оценки эколого-экономической эффективности. Оценить влияние лесных пожаров – углеродных «антиферм» – на наблюдающиеся изменения содержания климатически и экологически важных веществ в атмосфере.

Актуальность проблемы, предлагаемой к исследованию

Сегодня весь мир и Евразия сталкиваются с глобальными вызовами, связанными с изменением климата. Наземные и водные экосистемы Евразии содержат крупнейший резервуар органического углерода почв и растительности, трансформация которого в результате изменения климата может привести к деградации значительной части ландшафтов и экосистем, включая не только природные, но и урбанизированные и техногенные экосистемы, т.е. среду обитания человека. Бореальные экосистемы Евразии являются важнейшими регуляторами климата и биогеохимического состава биосферы. Суббореальные экосистемы наиболее уязвимы с точки зрения потерь углерода при эрозии, лесных пожарах и агрогенных нарушениях. Таким образом, сравнительная характеристика углеродных циклов в контрастных типах экзогенно-нарушенных экосистем Русской равнины будет способствовать внедрению природоподобных технологий рекультивации земель в развитие системы карбоновых ферм на нарушенных территориях.
Основными резервуарами углерода органических соединений являются природные экосистемы, где сосредоточены основные запасы углерода, но существуют и антропогенно преобразованные экосистемы, такие как карьерные отвалы, антропогенные пустыри, нарушенные территории, запечатанные почвы под линейными сооружениями и городские территории. Эти антропогенно преобразованные территории являются недооцененными резервуарами углерода органических соединений, контроль над которыми в условиях растущего техногенеза является необходимым шагом в устойчивом развитии.
Инициатива по созданию углеродных ферм в нарушенных экосистемах уже активно развивается в России и предполагает создание условий для формирования пространства, где будет происходить секвестрация углерода, однако антропогенно-преобразованные территории в настоящее время являются скорее источником углерода, чем поглотителем. Именно поэтому создание углеродных ферм на территориях, где почвенный покров уже деградирует и которые являются очагами выбросов углерода, сейчас крайне необходимо. На Восточно-Европейской равнине имеется значительное количество как действующих, так и выработанных карьерных комплексов, которые находятся в процессе естественной восстановительной экогенетической сукцессии. Характерной особенностью карьерно-отвальных комплексов является их пространственно-временная неоднородность, даже на территории одного карьерного комплекса могут находиться отвалы, находящиеся на разных временных стадиях развития сукцессии и могут быть использованы в рамках программы по созданию углеродных ферм и устойчивому связыванию углерода. При разработке карьерных комплексов в атмосферу выбрасывается значительное количество углекислого газа, что связано с изъятием богатых гумусом почв и обезлесением территории, в то же время рекультивация отвалов и создание углеродных ферм, будет способствовать более активному поглощению углерода, по сравнению с естественными экосистемами, так как будут использоваться специально выведенные растительные культуры и технологии по накоплению углерода органических соединений в почвах отвальных комплексов.
Увеличение запаса углерода в почве также способствует увеличению влагозапаса, накоплению других питательных веществ, в частности азота, что важно для восстановления микробной активности, лежащей в основе многих ключевых биогеохимических процессов, необходимых для роста растений и функционирования экосистем. Наибольшим потенциалом с точки зрения связывания углерода обладают нетоксичные субстраты, на которых быстрее запускается экогенетическая сукцессия и формируется устойчивый и самовозобновляющийся растительный покров. Следует отметить, что различный возраст отвалов также играет значительную роль в накоплении углерода органическими соединениями, поэтому наибольшим потенциалом накопления на Северо-Западе России обладают почвы 20-летней рекультивации, здесь накапливается до 124 г/м2 углерода в год.
Таким образом, длительность рекультивации и реализация проекта по созданию карбоновых ферм имеет долгосрочный потенциал для поглощения углерода из атмосферы. Развитие почв на комплексах отвалов - это не только создание резервуара углерода, но и его долгосрочное хранение.
Необходимо отметить, что поскольку климатические изменения приводят к постоянному увеличению частоты и площади природных пожаров по всему миру, цели по достижению углеродной нейтральности могут отодвигаться на неопределенный срок. По сути, природные пожары могут рассматриваться как углеродные «антифермы». Большая номенклатура веществ, поступающих в атмосферу при горении биомассы, включает в себя парниковые газы и химически активные вещества, оказывающие прямое и косвенное влияние на радиационный баланс Земли, влияющие на качество атмосферного воздуха и продуктивность растений. По результатам дистанционного зондирования атмосферы, проводимого в СПбГУ, планируется разработать методики для детектирования продуктов горения в воздухе и исследовать влияние природных пожаров на состав атмосферы для Северо-запада России.
Подлежат отдельному изучению вопросы, связанные с оценкой эколого-экономической эффективности альтернативных методов рекультивации нарушенных экосистем, в целях формирования адаптивных инструментов стимулирования бизнеса, общества и государства к реализации агроклиматических проектов. Исследование экономических, а также дополнительных внеэкономических эффектов реализации карбоновых ферм позволило бы реализовать комплексный подход к планированию, реализации агроклиматических проектов, а также контролю результирующих показателей.

Описание задач, предлагаемых к решению

1) Провести сбор проб почв из хроносерий почв, восстанавливающийся на различных по химическому и гранулометрическому составу отвальных субстратов на территории карьерно-отвальных комплексов различных типов. Описать морфологическое строение почв, выявить их основные аналитические и атрибутивные характеристики, провести анализ состава органического вещества почв, количественно и качественно охарактеризовать типа и направления развития сукцессий растительных сообщества.
2) Выделить репрезентативные участки, различающихся по генезису почв и по расположению в рельефе, в каждой системе землепользования на основе результатов морфогенетического картографирования почвенного покрова, оценить скорости восстановления фитоценозов и уровни их видового разнообразия.
3) Провести анализы почв классическими способами для оценки скорости почвенных сукцессий (определение содержания основных компонентов почвенной массы, содержания гумуса, азота, элементов питания, параметров среды- кислотности, плотности, оценить запасы углерода органических соединений в различных горизонтах почв, выявить тренды пространственного распределения соединений углерода в контрастных литологических и геоморфологических условиях экзогенно-нарушенных территорий.
4) Проанализировать возможные методы управления экогенетическими сукцессиями для разработки технологий секвестрации углерода органических соединений в рамках функционирования карбоновых ферм на заброшенных землях горной промышленности и залежных землях сельскохозяйственного назначения.
5) Разработать методики детектирования атмосферных газов (СО, HCN, C2H6, C2H2, H2CO, HCOOH) – продуктов горения биомассы по данным наземного дистанционного зондирования атмосферы в ИК-диапазоне. Провести тестирование разработанных методик с оценкой их погрешностей на массиве атмосферных ИК-спектров высокого спектрального разрешения.
6) Выделить случаи влияния природных пожаров на состав атмосферного воздуха (СО, HCN, C2H6, C2H2, H2CO, HCOOH) для Северо-запада России и провести анализ долговременных тенденций этого влияния для периода 2009-2024гг. Оценить эмиссионные соотношения, характеризующие природные пожары как источник выбросов в атмосферу.
7) Провести типологию экономических, экологических и социальных эффектов реализации инструментов рекультивации нарушенных экосистем и карбоновых ферм.
8) Построить методику сравнительного анализа экономической и внеэкономической эффективности альтернативных технологий секвестрации углерода.
9) Проранжировать разработанные технологии секвестрации углерода органических соединений по критериям экономической и внеэкономической эффективности и разных типов рисков, отобрать наиболее приоритетные технологии.
10) Разработать бизнес-модели формирования и масштабирования карбоновых ферм, на основе приоритетных технологий рекультивации земель, построить финансовые модели инвестиционных проектов и проанализировать коммерческую целесообразность организации карбоновых ферм.
11) Разработать рекомендации для развития институциональной среды в области адаптации к изменениям климата, в том числе на основе масштабирования технологий рекультивации нарушенных экосистем.

Научный задел, имеющийся у коллектива, который может быть использован для
достижения целей, предлагаемых к разработке научных тем или результаты
предыдущего этапа

Коллектив проекта имеет обширный научный задел и опыт выполнения научных проектов фундаментальной и прикладной направленности. Члены коллектива руководили большим количеством проектов РНФ, РФФИ, ФЦП, Государственных заданий и коммерческих договоров. Руководитель проекта Е.В. Абакумов в 2023 и 2024 гг. входил в ТОП 2 % самых цитируемых ученых по версии издательства Elsevier. Внутри проекта имеется устоявшаяся коллаборация, выражающаяся в наличии совместных публикаций, в том числе, в рецензируемых журналах.

Научное и научно-техническое сотрудничество, в том числе международное

На уровне РФ: Проводится активное сотрудничество с ООО «Евробиохим» и ООО «ОГЕО-Проект», выразившееся в заключении трех лицензионных соглашений об использовании результатов РИД.
На уровне РФ: СПбГУ входит в состав Российской сеть почвенных лабораторий (РУСОЛАН) Целью деятельности сети является гармонизация методических разработок в области исследования почв, в том числе приведение в соответствие национальных и международных методик измерений для обеспечения сопоставимости и интерпретируемости аналитической информации о почвах, полученной в лабораториях внутри страны, между странами и регионами.

На уровне РФ: Сотрудничество с Федеральным государственным бюджетным учрежденим «Главная геофизическая обсерватория им.А.И.Воейкова» (ФГБУ «ГГО») по линии совместных атмосферных, климатических и метеорологических исследований.

Узбекистан: проводятся совместные исследования в области восстановления ксерофитных субртопических лесных массивов на нарушенных землях Язьванских песков в Ферганской долине. Совместно с Ферганским государственным университетом