Рассматривается методология, структура и основные категории фундаментальных исследований программы Президиума РАН по приоритетному направлению “Депозитарные функции, технологии индикации состояния и рисков деградации почв России в системе ландшафтного планирования и рационального природопользования”. Проведение исследований предусмотрено по пяти проектам: цифровая дистанционная инвентаризация и мониторинг пахотных почв; трансформация, эволюция и деградация почв в условиях агрогенеза и глобальных изменений климата; депозитарные и экологические функции почв в агроландшафтах; оптимизация использования почвенных ресурсов; анализ показателя почвенного микробиома в процессах связанных с почвообразованием, трансформацией органического вещества и тонкой регуляцией вегетационного процесса. Теоретической основой программы являются созданные ранее типология и система агроэкологической оценки земель, методология и проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия, теория создания и функционирования растительно-микробных ассоциаций, методика таксономической идентификации структуры более 100 почвенных микробиомов, развитие теории об экологических функциях почв. Методология программы отличается от предыдущих подходов тем, что исследование функций (групп функций) почв проводится на основе статического и динамического описания процессов энергомассообмена, на глобальном биосферном уровнях, с оценкой оказания услуг почвы предоставляемых социуму. Разработана блок-схема научных исследований и методы. На депозитарном уровне применяются эмпирический анализ, физическое моделирование, имитация пространства состояний и т.д. Биоценотические функции описываются на основе изучения циклов трансформации, мониторинга, метагеномной индикации, зондирования, цифровой инвентаризации и других современных технологий. Выделены объекты, категории, основные тренды трансформации, эволюции и деградации почв; приемы адаптации, управления и регулирования; главные ожидаемые научные и прикладные результаты комплексного исследования.

Задачи оптимизации природопользования включают: определение чувствительности биотопов, оценку прогноз устойчивости ландшафтов, учет перегрузок, оценку экологических рисков и возможных последствий, анализ конфликтов, выбор целей сохранения и развития территории, определение пропорций угодий и приоритетов землепользования, поиск компромиссных решений, разработку методов согласования интересов землепользователей. Решение этих задач выполняется на основе функционального анализа ландшафта. В качестве основных экологических функций рассматриваются: биоэкологические (биотопические и биоценотические, биопродукционная, биоэнергетическая, биогеохимическая, концентрационная, окислительно-восстановительная, деструкционная, активаторно-ингибирующая, санитарная); атмосферные (газовая, теплообменная, гидроатмосферная), литосферные (рельефообразующие, литологические); гидрологические и гидрогеологические. На основе идентификации и оценки экологических функций ландшафтов определяются социально-экономические функции, направленные на удовлетворение той или иной потребности общества.

Рассмотрены зарубежные публикации, посвященные проблеме выделения и оценки экосистемных услуг и их учету в планировании хозяйственной деятельности. Данное направление исследований является быстро развивающимся. Начало было положено глобальной оценкой состояния экосистем, выполненной в 2005 г. по инициативе ООН. За последние 10 лет произошло его организационное оформление, появились профильные журналы, регулярно проводятся конференции и совещания; характерен быстрый рост числа публикаций. Вклад почвоведов в эту работу пока не слишком значителен; оценка экосистемных услуг почв представляется перспективным направлением. Экосистемные услуги разделяются на четыре группы: обеспечивающие, регулирующие, культурные и поддерживающие. Последняя группа рассматривается как природная основа, обеспечивающая выполнение остальных функций, прямо и косвенно воздействующих на благополучие человека. Оценка экосистемных услуг ведется по трем направлениям: экологическому, экономическому (монетарному) и социальному. Для каждой из групп услуг используются свои способы экономической оценки. Обеспечивающие услуги часто оценивают по их рыночной стоимости. Их доля в совокупной оценке экосистемных услуг относительно невелика. Регулирующие услуги часто оценивают методами “предотвращенных затрат” и “замещающих затрат”, а культурные услуги (рекреация, источник вдохновения, эстетическая ценность, духовная ценность) - методом “затрат на путешествие”. В основе способов внерыночной оценки лежит готовность платить за данные услуги. При оценке экосистемных услуг на местном уровне необходим системный подход, учитывающий бонус кооперации землепользователей. Следует учитывать также, что снятие дополнительной нагрузки с экосистем в данном месте может привести к возрастанию воздействия в других местах. Выделение, картографирование и оценка экосистемных услуг проводятся с конечной целью обеспечить устойчивое развитие общества и благосостояние человека. Развиваемые эколого-экономические подходы призваны усилить роль рыночных механизмов в деле защиты окружающей среды.

Рассмотрены результаты систематизации и анализа различных источников, содержащих информацию о деградационных и опасных природных процессах на территории азиатской части России. Все деградационные и опасные природные процессы, негативно воздействующие на почву (земельный фонд), подразделяются на три группы по степени опасности: а) процессы, протекающие с уничтожением почвы и изъятием земель; б) изменяющие структуру почвенного покрова, приводящие к деградации почв (земель) и уменьшающие их плодородие; г) снижающие продуктивность земель. Дана оценка масштабов распространения и опасности проявления на землях азиатской части России деградационных и разрушительных природных процессов (овражной эрозии, разрушения берегов морей и водохранилищ, изменения речных русел и пойм, подтопления, сильных дождей, наводнений) по федеральным округам и входящим в них административным единицам: республикам, краям, областям и др. Распространение и опасность проявления негативных процессов сильно варьирует на территории исследуемого региона в зависимости от особенностей природно-климатических условий отдельных ее частей. Представлены планы продолжения в 2016 г. аналогичных исследований для европейской части России и тематика дальнейших исследований для всей территории страны в последующие годы в рамках проекта “Трансформация, эволюция и деградация почв в условиях агрогенеза и глобальных изменений климата”. Показано значение решения фундаментальной научной проблемы, поставленной в проекте, для реализации стоящих перед страной социально-экономических задач и укрепления позиции института в числе мировых лидеров по данному научному направлению.

В полевых экспериментах на агродерново-подзолистой среднесуглинистой почве показано, что при наличии гидравлического напора на верхней границе почв движение влаги происходит по преимущественным путям миграции, сокращающим гидродепозитарные характеристики почв. Движение влаги изучали по специальной методике на двух идентичных по размерам (диаметр 42 см, высота 60 см) и почвам монолитах. Перед началом опыта стенки монолитов были обернуты пленкой, покрыты монтажной пеной и закопаны с целью предотвращения боковых потерь влаги. В обоих монолитах одновременно проводили впитывание воды с поверхности, в одном случае на поверхности поддерживали постоянный небольшой напор 5 см, в другом осуществляли мелкодисперсное дождевание без образования слоя воды на поверхности. В задачи работы входило моделирование движения влаги в условиях малонапорной и безнапорной инфильтрации и сравнение расчетных и экспериментальных данных для того, чтобы характеризовать, какое экспериментальное обеспечение модели является наиболее адекватным: основные гидрофизические характеристики (ОГХ), полученные экспериментально эмпирическими методами, либо ОГХ, восстановленные по гидрологическим константам и свойствам почв (педотрансферные функции (ПТФ)). По результатам реальных и модельных данных экспериментальное обеспечение моделей можно расположить в следующем порядке: использование региональных ПТФ дает лучшие результаты, чем ОГХ, полученная методом тензиостатов и капилляриметров, которые лучше ПТФ, используемых в программе Agrotool и соответственно применяющих в качестве предиктора гранулометрический состав (по базе данных ROSETTA), и ПТФ на основании “секущих” Воронина.

На современном этапе развития почвенной микробиологии стало возможным изучение всего комплекса населяющих почву микроорганизмов, что дает возможность обнаружить наиболее оптимальное сочетание факторов, приводящих не только к образованию плодородной почвы, но и к развитию на ней полноценного, устойчивого к стрессам фитоценоза. Метагеном почвы - крупнейший генетический депозитарий для всех целей, начиная от процессов почвообразования - превращения безжизненной породы в субстрат для роста и развития растений, и кончая временными адаптациями в краткосрочных интересах растений. Именно на раскрытие этого потенциала и его мобилизация являются целями данного проекта. Исследования подобного рода должны носить комплексный характер и включать решение актуальных задач: 1) изучение механизмов почвообразования и анализ связи эволюции почвенного метагенома с особенностями педогенеза; 2) исследование участия микробиома в разложении органических остатков и эффективной трансформации органического вещества в почве; 3) поиск ассоциативных микроорганизмов, обеспечивающих защиту растений и стимуляцию их роста. В качестве модели для анализа эволюционного потенциала микробиома в процессе почвообразования могут выступать техногенные отвалы, образующиеся в результате добычи полезных ископаемых, представляющие собой хроноряды почв различного возраста. Интересным объектом в эволюционном аспекте анализа почвенного метагенома являются также образцы палеопочв. В результате проекта предполагается установить группы почвенных микроорганизмов, которые принимают наиболее активное участие в формировании почвенного плодородия и эффективно выполняют рост-стимулирующие и защитные функции для растения. Полученные данные могут представлять ценность как для фундаментальной науки, так и служить основой для конструирования экологически безопасных высокопродуктивных фитоценозов, основанных на использовании адаптивного потенциала почвенной микробиоты.

На основе обзора научной литературы показано, что современный уровень технического развития и доступность позволяют рассматривать беспилотные летательные аппараты в качестве надежного средства оперативного мониторинга почв и посевов отдельных полей и небольших хозяйств. Возможности использования изображений, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов, в значительной степени предопределяются типом съемочной аппаратуры. Миниатюризация съемочной аппаратуры позволяет уже в настоящее время получать изображения, по своим свойствам (спектральное разрешение) сопоставимые со спутниковыми данными. В настоящее время изображения, получаемые с беспилотных летательных аппаратов, используются для того, чтобы визуально удаленно оценить какой-либо объект наблюдений. Но уже появились публикации, в которых обсуждается возможность компьютерного анализа получаемых изображений, в том числе в сельском хозяйстве. Имеется опыт построения на основе данных беспилотных летательных аппаратов и их компьютерного анализа цифровых моделей рельефа поля, проведения оценки и осуществления мониторинга эродированности почв, оперативной оценки состояния посевов сельскохозяйственных культур. Преимуществом данных, получаемых с использованием беспилотных летательных аппаратов, по сравнению со спутниковыми изображениями является возможность подоблачной съемки. Основное ограничение использования данных, получаемых с помощью беспилотных летательных аппаратов, - недостаточная миниатюрность съемочной аппаратуры и невозможность охвата мониторингом больших территорий.

Рассмотрены вопросы установления значимых критериев идентификации строения почвенного профиля и некоторых функциональных его свойств при интерпретации радарограмм, полученных при георадиолокационном профилировании различных территорий геофизическим прибором “Лоза-В”. Помимо стандартного набора приемов первичной цифровой обработки радарограмм, построения временной развертки отраженного импульса по трассам зондирования и преобразования её в глубинную, предлагается широко использовать информацию об изменчивости динамических характеристик волнового поля в однородных средах. Информация включает выявление возмущений волнового поля (всплесков), установление точек дифракции (осей синфазности), соответствующих локальным горизонтам и объектам, расчет частотных характеристик распределения отраженных сигналов в почвенном профиле. Простой однородный слой имеет периодическую последовательность пиков в амплитудном спектре суммарного отражения от кровли до подошвы этого пласта. Изменчивость мощности почвенного горизонта рассчитывается через анализ локальных значений амплитудных максимумов отраженных импульсов на радарограмме. Процедура верификации почв, базирующаяся на сравнении реальных почвенных профилей и шаблонов в рамках конкретного классификатора, проводится с помощью статистических методов расчета полиномиальных функций значений амплитуды сигнала по его длительности. Статистическая обработка включает расчет средних значений, стандартных отклонений и частот распределения амплитуды сигналов, которые функционально связаны с мощностью слоя и количеством осцилляций сигналов. Показатели спектрального преобразования Фурье (частота, период, спектральная плотность), наряду с трендовыми характеристиками полиноминальных модуляций, становятся основными критериями при двухступенчатой идентификации почв. Несмотря на всю привлекательность спектрального преобразования Фурье, расчет трендовых моделей и проверка результатов их тождественности с шаблоном осуществляются по полевым данным буровых скважин и почвенных разрезов.