Ученые факультета почвоведения МГУ и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ представили обзор, в котором рассмотрели достижения последнего десятилетия в отражении в моделях динамики органического вещества роли микроорганизмов в стабилизации органического вещества почв, концепции насыщения почв органическим углеродом и температурного контроля, а также подняли проблемы представления динамики органического вещества почв в глобальных климатических моделях.

Исследования проводились в рамках Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».

Почвы являются крупнейшим наземным резервуаром органического углерода. По последним данным запасы органического углерода в верхнем метровом слое почвы в среднем составляют 1700 Гт, что превышает его суммарные запасы в растительном покрове и атмосфере. Поэтому даже небольшое изменение запасов углерода в почвах может значительно повлиять на содержание СО2 в атмосфере. Для выбора эффективных методов управления, направленных на увеличение содержания органического вещества в почвах в целях смягчения последствий изменения климата и повышения плодородия, необходимы прогнозы реакции почв на будущие изменения климата и землепользования. Получение обоснованных прогнозов требует глубокого понимания очень сложной открытой многокомпонентной системы органического вещества почв. Одним из наиболее эффективных методов прогнозирования динамики органического вещества почв является математическое моделирование. Неопределенность прогнозов зависит от уровня развития теории, объясняющей динамику органического вещества почв, представляющих ее моделей и их экспериментального обеспечения. Представленный обзор характеризует современный уровень развития моделей динамики органического вещества почв, нерешенные проблемы и перспективные направления развития.

🌱 «Почвы являются крупнейшим наземным резервуаром органического углерода, поэтому даже небольшое изменение запасов углерода в почвах может значительно повлиять на атмосферу и климат. Для выбора эффективных стратегий, направленных на смягчение последствий изменения климата, необходимы прогнозы реакции почв на будущие изменения климата и землепользования. Получение обоснованных прогнозов требует глубокого понимания очень сложной открытой многокомпонентной системы органического вещества почв. Одним из наиболее эффективных методов прогнозирования динамики органического вещества почв является математическое моделирование. Процесс-ориентированные, то есть физически обоснованные модели позволяют представить основные концепции о механизмах, определяющих поведение этой системы, в математически формализованном виде и провести количественный анализ. Неопределенность прогнозов зависит от уровня развития теории, объясняющей динамику органического вещества почв, представляющих ее моделей и их экспериментального обеспечения. В этом обзоре рассмотрены достижения последнего десятилетия в представлении в моделях роли микроорганизмов в стабилизации органического вещества почв, концепции насыщения почв органическим углеродом, температурного контроля, а также развитии моделей реактивного транспорта, описывающих динамику органического углерода в профиле почв, и представлении динамики органического вещества почв в глобальных климатических моделях. Обсуждаются нерешенные проблемы, связанные с высокой вариативностью структуры моделей динамики органического вещества почв нового поколения».

( отрывок из «Современное развитие моделей динамики органического вещества почв (обзор)
Рыжова И.М. (МГУ имени М.В.Ломоносова)
Романенков В.А. (МГУ имени М.В.Ломоносова)
Степаненко В.М. (МГУ имени М.В.Ломоносова)

Результаты исследования опубликованы в журнале «Вестник Московского университета. Серия 17. Почвоведение».

🌱

В настоящее время известно около 250 моделей биогеохимического цикла углерода. Их особенности во многом определяются пространственно-временным масштабом описываемых процессов. Наибольшая доля от общего количества моделей приходится на модели динамики органического вещества почв, в которых оно представлено конечным числом пулов, выбранных в соответствии со скоростями оборота. Структура моделей представляет собой цепь, звеньями которой являются пулы с возрастающим временем оборота. Для описания потоков углерода в системе используется кинетика первого порядка, предполагающая, что их скорости пропорциональны запасам органического вещества в выбранных пулах с учетом влияния внешних факторов (температура, влажность, текстура почвы и др.).

Традиционные модели просты в математическом отношении и активно используются для решения широкого спектра экологических проблем. Однако они неспособны описать динамику органического вещества почв за пределами линейных эффектов и не очень подходят для быстро изменяющихся условий среды. В настоящее время достижения в области химии и физики почв, успехи почвенной микробиологии, обусловленные развитием экспериментальных методов исследования, в значительной степени расширили представления о механизмах, определяющих устойчивость органического вещества почв. Биогеохимические процессы, определяющие образование и устойчивость органического вещества почвы, играют ключевую роль в системе климат-углерод. Современные концепции нашли отражение в моделях новой генерации. В них явно представлены субстрат-микробные взаимодействия, а пулы выделены в соответствии с механизмами стабилизации органического вещества. Модели нового поколения характеризуются высоким структурным разнообразием в отличие от традиционных моделей, так как они отражают различные наборы предположений, связанных с микробным контролем разложения и механизмами стабилизации органического вещества в почве.

«Сравнение традиционных моделей и моделей новой генерации показало, что использование новых моделей не сократило, а расширило разброс прогнозов между моделями из-за их высокой структурной вариативности. Расширение разброса не является ухудшением прогнозов, а позволяет получить более точную оценку их неопределенности. Для уменьшения неопределенности прогнозов важны дальнейшие исследования, направленные на улучшение понимания динамики органического вещества почв путем синтеза результатов развития экспериментов, теории и моделей. В этой ситуации очень эффективным инструментом может быть созданный в лаборатория суперкомпьютерного моделирования природно-климатических процессов научно-исследовательского вычислительного центра МГУ под руководством заместителя директора НИВЦ МГУ Виктора Степаненко конструктор моделей углеродного цикла (УЦ) в почве и растительности, позволяющий реализовывать и сравнивать существующие и перспективные модели», — прокомментировала профессор кафедры общего почвоведения факультета почвоведения МГУ Ирина Рыжова.

О НОШ МГУ