Анастасия Константинова,
Долгор Балдоржиева,
Лаборатория Smart Urban Nature
Российского университета дружбы народов

Сегодня с ростом мировой урбанизации возникает потребность в тщательном городском планировании, в особенности в развитии зеленой инфраструктуры. Ведь древесные насаждения в городской среде кардинально меняют жизнь горожан и окружающей среды в лучшую сторону. Они способны сохранять водный баланс, снижать шумовое загрязнение и регулировать порывы ветра, очищать воздух и создавать место обитания для животных и других организмов, то есть оказывать экосистемные услуги жителям городов. Однако, как и все биосистемы, городской лес – это сложная и постоянно изменяющаяся система. Поэтому, чтобы зеленые пространства вносили наибольший вклад в жизнь мегаполиса, необходимы технологичные подходы к сбору и обработке данных, а также прогнозированию состояния зеленых насаждений и функциональности городских экосистем.

Группа исследователей Департамента ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем и Лаборатории Smart Urban Nature Аграрно-технологического института Российского университета дружбы народов уже несколько лет изучает городские экосистемы, в том числе роль зеленых насаждений, почв и климата в формировании устойчивого города. В своих исследованиях ученые РУДН в сотрудничестве с итальянскими коллегами из Университета Тушии и Центра исследований и инноваций успешно применяют технологии интернета вещей для сбора и обработки данных столичных деревьев.

Технология Smart Urban Tree

Сама концепция интернета вещей подразумевает возможность сбора, обработки и передачи данных не только по цепочке человек–устройство, но и внутри целой сети устройств. Так, за состоянием зеленых насаждений Москвы следят специальные приборы Tree Talkers. Данные датчики разработаны коллективом ученых под руководством Риккардо Валентини, руководителя лаборатории Smart Urban Nature. Технология, основанная на применении Tree Talkers, направлена на обеспечение всесторонней оценки физиологического функционирования и вертикальной устойчивости дерева дистанционно и в режиме реального времени. Главная цель мониторинга состояния городских зеленых насаждений – улучшить их качество, продлить им жизнь, чтобы в дальнейшем они приносили пользу для горожан. А используемые датчики Tree Talkers дают возможность внедрить индивидуальный уход за растениями, а также измерить экосистемные сервисы каждого дерева. Зачем?

«Смарт технологии обеспечивают, – рассказывает Вячеслав Васенев, кандидат биологических наук, доцент Департамента ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем аграрно-технологического института, научный сотрудник лаборатории Smart Urban Nature Российского университета дружбы народов, – не только возможность получать данные с высоким пространственным разрешением и с высокой частотой, что необходимо для такой гетерогенной и неоднородной среды, как городской лес, но также и значительную ориентированность на потребителя – в сравнении с традиционными методами. Используя смарт технологии, мы получаем как стандартные физиологические характеристики состояния деревьев, так и их интерпретацию с точки зрения функций, экосистемных сервисов, рекомендаций по уходу и менеджменту».

Каждое устройство Tree Talkers оснащено датчиками для сканирования жизненно важных процессов дерева – интенсивности сокодвижения и фотосинтеза, проходимости света через крону дерева, измерения температуры и влажности древесины и окружающей среды, увеличение диаметра ствола. Помимо всего, гироскопический датчик, измеряющий угловое отклонение ствола дерева, в режиме реального времени определяет, насколько устойчиво дерево и нет ли риска его падения при сильном ветре. В целом такой мониторинг позволяет определить, насколько опасно или полезно то или иное растение, и исходя из этого разработать рекомендации по уходу за ним.

Одним из примеров практического применения датчиков служит совместный проект лаборатории Smart Urban Nature и Департамента природопользования Москвы по созданию новой системы управления зеленым фондом мегаполиса. Решению использовать датчики Tree Talkers в создании системы мониторинга способствовали успешные результаты эксперимента, проводимого учеными лаборатории совместно с Департаментом в 2018-2019 гг. В рамках исследования на 7 экспериментальных площадках в пределах столицы на различные деревья были установлены 217 приборов, которые наблюдали за состоянием насаждений при разных погодных условиях.

Сегодня уже более 230 приборов контролируют состояние насаждений на территории кампуса РУДН, в Ботаническом саду МГУ им. Ломоносова «Аптекарский огород», на Болотной площади, в лесопарковой зоне РГАУ им. К.А. Тимирязева, в Парке Горького и в других местах. Мониторинг московских деревьев является частью большого исследования городских зеленых зон, и в перспективе ученые планируют создать единую сеть для контроля за зеленым массивом по всему миру.

Оценка городских почв

Другой, не менее важный объект исследований – городские почвы. В условиях города экологические функции почвы играют такую же существенную роль, что и зеленые насаждения, обеспечивая произрастание травы, деревьев и других растений, хранение и оборот углерода, фильтрацию воды, аккумуляцию важных для растений химических элементов, а также поглощение загрязняющих веществ и поддержание чистого воздуха.

Так, один из проектов Департамента посвящен анализу и моделированию влияния урбанизации на экологические функции почв Новой Москвы – района с ярким примером урбанизации близлежащих неосвоенных земель. Масштабные трансформации, которые пережили земли Новой Москвы, стали основным фактором антропогенной нагрузки на местные почвы и повлекли за собой ряд негативных последствий. Само исследование основывается на сравнении нескольких неурбанизированных и урбанизированных участков нынешних и бывших лесных, пастбищных и пахотных почв.

В каждом из исследуемых участков берутся пробы верхнего и подпочвенного слоев почвы, после чего проводится сравнительный анализ по таким показателям, как уровень углерода и дыхания почвы, ее химические (кислотность, уровень углерода и азота) и физические (объемная плотность и текстура) свойства. Все необходимые анализы проводятся в собственной Почвенно-экологической лаборатории. Наряду с классическими и широко распространенными методами физико-химического анализа в лаборатории внедрены такие редкие методы, как оптико-эмиссионная спектрометрия (определение металлов и неметаллов), хромато-масс-спектрометрия (определение пестицидов, ПХБ), элементный анализ (определение углерода и азота в твердых и жидких пробах), рентген-флюоресцентный анализ (экспресс-определение металлов).

В целом данное исследование стало первым шагом в изучении всей урбоэкосистемы Новой Москвы и редкой возможностью для ученых в режиме реального времени изучать особенности глобальных экосистемных трансформаций конкретных территорий. Устойчивое функционирование городских почв как важного и недооцененного фактора развития городской зеленой инфраструктуры изучается нашими учеными в рамках проекта «Моделирование и разработка технологий для обеспечения устойчивого функционирования почвенных конструкций в мегаполисе» с грантовой поддержкой от Российского научного фонда. Среди высокого разнообразия городских почв наибольший интерес эксперты проявляют к почвенным конструкциям, созданным человеком для решения конкретных задач: озеленения, благоустройства, рекультивации.

Ввиду искусственного происхождения почвенных конструкций появляется возможность прогнозировать их функции в зависимости от технологии создания или подбирать технологию для выполнения определенных функций. Первый этап проекта, реализованный в 2017-2020 гг., позволил оценить пять различных экологических функций почвенных конструкций и разработать технологии, оптимальные для их устойчивого функционирования в Московском мегаполисе. Таким образом, полученные результаты позволяют оптимизировать процессы городского планирования и благоустройства в конкретном регионе. На данный момент в качестве продолжения проекта ученые планируют сфокусироваться на анализе региональных особенностей функционирования почвенных конструкций в городах, которые отличаются по климату, размеру и уровню благоустройства.

Образовательные программы и мероприятия

Результаты научных исследований становятся содержательной основой для формирования образовательных курсов в рамках программ магистратуры и аспирантуры. Ярким примером является магистерская программа двойных дипломов на английском языке «Management and design of urban green infrastructure» («Менеджмент и дизайн зеленой инфраструктуры городов»). Открытие и развитие программы стало результатом совместных научных исследований и плодотворного сотрудничества Аграрно-технологического института РУДН с Департаментом инноваций в экологии и лесном хозяйстве (DIBAF) Университета Тушии (Италия). Дисциплины программы позволяют получить теоретические знания и практические навыки как в сфере ландшафтного дизайна и архитектуры городов, так и в области экологического мониторинга, оценки, нормирования и моделирования урбоэкосистем и их компонентов. Особое внимание уделяется освоению современных технологий рационального землепользования и зеленого строительства, позволяющих значительно повысить экологическое качество городской среды и комфортность проживания горожан.

Студенты двух вузов-партнеров обучаются в смешанных группах и на полноценной основе принимают участие в научных исследованиях и проектах как в России, так и в Италии. Поэтому можно с уверенностью сказать, что программа ориентирована на подготовку специалистов международного уровня, адаптированных к работе в правовом поле, организационных, административных и производственных условиях России и стран ЕС.

Принять участие в городских исследованиях Лаборатории Smart Urban Nature может студент или ученый из любого университета и любой страны, благодаря ежегодной международной летней полевой школе 3MUGIS (Monitoring, Modeling and Managing Urban Soils and Green Infrastructure).

Школа проводится под эгидой Международного союза почвоведов (IUSS) и Института городских почв Нью-Йорка. Цель летней школы – развитие международного сотрудничества между учеными, получение актуальных навыков в области мониторинга, моделирования и картирования городских почв и зеленой инфраструктуры в различных климатических условиях и в антропогенно-преобразованной среде.

«Главная мотивация в проведении школы 3MUGIS, – говорит Эльвира Довлетярова, директор Аграрно-технологического института РУДН, – это создание настоящей международной и междисциплинарной экспедиции, которая станет платформой для общения и обмена опытом между ведущими учеными мира, молодыми исследователями и студентами; привлечение к сотрудничеству не только университетов, но и научно-исследовательских институтов; развитие региональных исследований; и что также немаловажно – популяризация не только науки, но и богатой географии нашей страны с ее разнообразными ландшафтами».

Каждый год школа не только собирает студентов и молодых ученых со всего мира, но также готовит международную команду из ведущих экспертов в области экомониторинга, почвоведения, ландшафтной архитектуры из университетов Германии, Франции, Италии, США, Австралии и других стран. Традиционный формат летней школы предполагает масштабный полевой тур по европейской части России от Баренцева до Азовского или Черного моря, в ходе которого участники на практике изучают зональное разнообразие почв и ландшафтов и оценивают результаты антропогенного воздействия на экосистему.

Краткосрочные форматы образовательных мероприятий: воркшопы и мастер-классы позволяют привлечь студентов к реализации реальных практических проектов, направленных на преобразование городской среды. Например, воркшоп-вебинар «Создавая креативное «зеленое» пространство», проходивший весной этого года, предлагал участникам окунуться в проектирование объектов – как городских, так и пригородных – изучить, как создается комфортная для жизни, отдыха и труда человека среда, с учетом современных экологических, социальных и эстетических требований.  ■

Материал читайте в номере «Экология и Бизнес» №10  2020-2021

© «Экология и Бизнес» №10  2020-2021