Мониторинг, моделирование и управление экосистемными функциями и сервисами почв и зеленых насаждений в целях устойчивого развития природных, агро- и урболандшафтов Юга России

Одним из основных принципов охраны окружающей среды является обеспечение приоритета сохранности природных (естественных) экологических экосистем. Являясь неотъемлемым компонентом наземной экосистемы, почва не только предоставляет материальные услуги, но также играет важную роль в защите окружающей среды и сохранении биоразнообразия. Почвы являются условно возобновляемым ресурсом, поэтому для поддержания количества и качества экосистемных функций и сервисов необходимо устойчивое управление. В результате изменения климата и антропогенного воздействия экосистемные функции и сервисы почв значительно снижаются, угрожая мировой продовольственной и экологической безопасности населения. Реабилитация почв, подверженных серьезным нарушениям, имеет решающее значение для восстановления экосистемных сервисов в целом. Обеспечение последних зависит от комплекса биологических, физических и химических свойств почвы и их взаимосвязи с сельскохозяйственными культурами, а также от методов управления. Техногенное загрязнение почв влечет за собой ухудшение их свойств, как напрямую, так и косвенно, и снижает способность почв выполнять экосистемные функции. Поэтому уменьшение техногенной нагрузки на почвенный и растительный покров и восстановление деградированных территорий является важной задачей как в краткосрочной перспективе – из-за тесной взаимосвязи всех природных сред – так и в долгосрочной, например, в связи с повесткой глобального изменения климата. В этой связи исследования, направленные на изучение профильной миграции в почве загрязняющих веществ, являются актуальными для прогнозирования негативных последствий. Метод моделирования, нашедший свое отражение в современном почвоведении при создании почвенных конструкций с заданными свойствами и зеленой инфраструктуры, позволит оценить и использовать экосистемные функции и сервисы в полном объеме. К значимым экосистемным функциям и сервисам относится способность почв и растений к депонированию загрязняющих веществ. Управление экосистемными функциями и сервисами почв в части депонирования приоритетных поллютантов (тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов, радионуклидов и др.), включает применение систем оценки загрязнения и сопряженных экологических и эпидемиологических рисков. Современные показатели, используемые в практике экологического нормирования и контроля, как правило, не учитывают весь комплекс экологических условий исследуемой территории, вид организма, эффект взаимодействия элементов друг с другом при поступлении в живой организм, явления биотрансформации при продвижении по пищевым цепям. В настоящее время отсутствует универсальная система оценки экосистемных функций и сервисов почв, включающая одновременную оценку экологических, санитарно-гигиенических и эпидемиологических рисков загрязнения почв веществами различного генезиса, устойчивости и миграционной способности. Степень антропогенного воздействия, вызывающего нарушение этих функций, целесообразно использовать для разработки экологических нормативов, в частности региональных предельно допустимых концентраций в почве загрязняющих веществ. Необходимо совершенствование научных методов и подходов, в части, изучения изменений гранулометрического, вещественного и микроэлементного состава как неотъемлемого компонента абиогенной матрицы почв, произошедших с ним под влиянием антропогенного воздействия в условиях климатических пертурбаций. Растущие запросы рынка продуктов земледелия ведут к необходимости использования средств и препаратов, увеличивающих продуктивность ценных сельскохозяйственных культур. Современная концепция экологического менеджмента предполагает использование безопасных для окружающей среды стимуляторов роста, основанных на живых микроорганизмах – бактериях и грибах, а также продуктах их метаболизма, стимулирующих рост растений и развитие плодов. Разработка препаратов, использующих природные ризосферные бактерии для полного раскрытия биоресурсного потенциала почв, является перспективным направлением в области оптимизации экосистемных функций и сервисов почв. Поскольку почвы черноземной зоны Юга России являются уникальным репозиторием микробиологического разнообразия, изучение микроорганизмов-фитостимуляторов в разных типах почв Ростовской области предоставит обширный материал для создания таких препаратов. Стоит отметить, что в условиях необходимости импортозамещения особенно актуальным является подход с использованием для разработки препаратов отечественных штаммов бактерий. В последнее время все большее значение приобретает экотоксикологический контроль агро- и урболандшафтов, что вызвано увеличением загрязнения почвенного покрова. Исследование устойчивости и механизмов адаптации бактериальных популяций к разнообразию субстратов-поллютантов имеет большое фундаментальное значение в области мониторинга, моделирования и управления экосистемными функциями и сервисами почв, а также может стать основой усовершенствованных методов биоремедиации широкого спектра опасных антропогенных загрязнений. Весьма перспективным представляется поиск бактериальных и архейных таксонов, имеющих диагностическое значение, и позволяющих характеризовать уровень экологического стресса микробиома, его вероятные причины и последствия для сохранения экосистемных функций почвы. Находясь в тесной взаимосвязи с почвой, растения остро реагируют на ее экологическое состояние. Исследование сельскохозяйственных культур с применением современных физиолого-биохимических и молекулярно-генетических методов позволит не только выявить механизм токсического действия загрязняющих веществ, но и представить комплексную оценку состояния почвенных экосистем. Глобальное значение имеет влияние чужеродных организмов на окружающую среду. Инвазионные виды растений негативно влияют на экосистемные функции и сервисы зеленых насаждений агро- и урболандшафтов. Растительность степной зоны Юга России, и, в частности, Нижнего Дона, обладает высокой инвазибельностью, вследствие значительной степени антропогенной трансформации, высокого уровня плодородия почв и, в частности, низкого видового богатства экстразональных лесных сообществ. Профилактика фитоинвазий позволит не только обеспечить сохранение экосистемных функций и сервисов зеленых насаждений в агро- и урболандшафтах, но и является обязательным условием их развития. Полученные в результате выполнения проекта новые фундаментальные знания о почвах, растениях и микроорганизмах природных, агро- и урболандшафтов степной зоны Юга России позволят разработать механизмы и алгоритмы управления экосистемными функциями и сервисами почв в условиях глобальных изменений. На основе интеграции исследований в системе почва-микроорганизмы-растения на разных уровнях организации будет разработана методика комплексного экологического мониторинга для оценки разных типов ландшафтов с применением современных методов и технологий. На основе данных мониторинга и моделирования будут получены сведения о составе поллютантов, показателях их миграции и трансформации. Практическая значимость состоит в необходимости получения сведений о закономерностях сопряженного распределения частиц разного диаметра, вещественного и микроэлементного состава как предикторов возможного отклика почв на антропогенное воздействие и изменения их экосистемных функций. Это позволит разработать входные параметры моделей формирования экосистемных функций почв в условиях техногенной нагрузки и оценки экологических рисков агро- и урболандшафтов. Такие модели будут использованы для выявления нарушения экосистемных функций почв при разных параметрах химического загрязнения, на разных типах почв и ландшафтах. Новые знания могут быть использованы при разработке региональных предельно допустимых концентраций (рПДК) загрязняющих веществ в почве, не нарушающих полноценного выполнения экосистемных функций, для почв в природных, агро- и урболандшафтов с различной буферной способностью. Результаты проекта найдут применение в области мониторинга и оценки качества городской среды и будут использованы для создания устойчивых экосистемных сервисов почв и зеленой инфраструктуры с целью формирования комфортных условий для населения. Мониторинг и моделирование экосистемных функций почв при пожарах разной интенсивности на разных типах почв и ландшафтах позволит оценить степень повреждения экосистем и разработать способы ускоренного восстановления экологических функций почв. Ожидаемые результаты значительно расширят знания о процессах, протекающих на разных уровнях организации биогеоценозов, и станут фундаментальной основой для разработки новых методов регулирования состояния почв и экосистем. Исследование метагенома почв Юга России позволит разработать технологии совершенствования взаимоотношений почв, микроорганизмов и растений путем эффективного использования генетических ресурсов микробиомов агроценозов. Получение данных о генах бактерий, обеспечивающих стимуляцию роста растений, позволит проводить поиск целевых бактерий среди микробного разнообразия почв. Найденные штаммы бактерий-фитостимуляторов могут стать основой для новых биопрепаратов, увеличивающих продуктивность сельскохозяйственных растений. Результаты анализа динамики физиолого-биохимических и молекулярно-генетических показателей растений в условиях высокой техногенной нагрузки послужат основой для оценки токсического действия загрязняющих веществ. Исследование их влияния позволит расширить существующие знания о механизмах транспорта поллютантов в растительные клетки и предложить молекулярные маркеры их токсического действия. Оценка влияния поллютантов различной химической природы на сельскохозяйственные растения необходима для прогнозирования рисков снижения продукционного потенциала агроэкосистем в условиях техногенной нагрузки. Полученные результаты будут базовыми для разработки концепции и методов идентификации, мониторинга и профилактики инвазий чужеродных видов растений, а их использование обеспечит сохранение экосистемных функций и сервисов зеленых насаждений в агро- и урболандшафтах, а также будет иметь важное значение для природоохранных служб и сельского хозяйства в целом. Использование результатов мониторинга и выявление механизмов устойчивости почв в условиях антропогенного прессинга и климатических изменений даст возможность разработать способы оптимизации экологического состояния природных, агро- и урбоэкосистем, создания благоприятной среды обитания, получение конкурентноспособной экологически чистой сельскохозяйственной продукции, будет способствовать устойчивому развитию Юга России и Российской Федерации в целом.