Замести углеродный след

Недавно в Ирландии местное движение защитников природы выступило с необычной инициативой: предоставить природе статус, сопоставимый с правами человека. Его представители предлагают наделить природу правами на существование, восстановление, уважение и защиту. Если идея получит поддержку в парламенте и на референдуме, Ирландия станет первой страной в Евросоюзе с подобным опытом.

Новость, быть может, и кажется диковинной, однако вполне логично вписывается в общемировой курс на экологичность всего и вся. Встревоженный последствиями глобального потепления, человек задумался об окружающей среде и изобретает все новые способы ее сохранения.

Теория и практика углеродной нейтральности

По данным Всемирной метеорологической организации, сегодня в атмосфере Земли концентрируется в 2,5 раза больше углекислого газа, чем в доиндустриальный период развития общества. Около половины этих выбросов поглощают различные экосистемы. Остальная часть усиливает парниковый эффект и разгоняет глобальное потепление. Поэтому сегодня ключевой задачей человечества стало достижение углеродной нейтральности. Суть ее в том, чтобы поглощалось столько же углекислого газа, сколько выбрасывается в атмосферу.

В 2021 году президент России Владимир Путин заявил, что Россия будет стремиться достичь углеродной нейтральности к 2060 году, а в октябре 2023 года подтвердил свое заявление климатической доктриной. Она предполагает не только сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу, но и поглощение углекислого газа природными экосистемами — лесами, морями, степями, болотами. Еще в 2021 году министерство науки и высшего образования России запустило пилотный проект по созданию в регионах карбоновых полигонов — специальных научных площадок, где ученые исследуют поглощающую способность ландшафтов России и разрабатывают технологии декарбонизации.

В этом же году в Башкирии был создан Евразийский климатический консорциум, в который вошли правительство РБ, Уфимский государственный нефтяной технический университет (а именно кафедра охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов) совместно с Уфимским институтом биологии УФИЦ РАН, Башкирским государственным аграрным университетом и Уфимским университетом науки и технологий при содействии Евразийского НОЦ мирового уровня и индустриальные партнеры. В итоге оператором климатической повестки был назначен УГНТУ, на базе которого открылся Центр технологий декарбонизации.

— Наш университет поставил цель — развивать научный, кадровый и инфраструктурный потенциал в области климата, — рассказала заведующая кафедрой охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов УГНТУ Ирэн Туктарова. — За два года нам удалось объединить усилия ученых разных специальностей: биологов, химиков, географов, экологов, экономистов, геологов, почвоведов, климатологов, специалистов в области сельского хозяйства, лесоразведения, геоинформационных технологий. В команде работают более 70 специалистов, многие имеют ученую степень, но большинство составляет молодежь.

— Глобальные изменения климата стали реальностью, они происходят на наших глазах, и для поиска оптимальных путей адаптации важно понимание механизмов и скорости климатических изменений на конкретной территории, — отметила директор Центра технологий декарбонизации УГНТУ Лариса Белан. — Например, в Башкирии в последние 30 лет растет средняя годовая температура: если в 1961 — 1990 годах она равнялась 2,4 °С, то в 1991 — 2020 составляет уже 3,50С.

Погода становится более засушливой в вегетационный период, а это может негативно влиять на урожайность культур. Программа карбонового полигона, реализуемая в Башкирии, позволяет с помощью современных научных методов получать информацию, как происходят эти изменения и в каком количестве парниковые газы поглощаются нашими экосистемами.

Где проходят исследования?

Программа создания Евразийского карбонового полигона в Башкирии (такое название он получил в конечном итоге) получила одобрение во многом благодаря благодатной почве для исследований: расположенная на стыке двух частей света — Европы и Азии — республика содержит в себе разнообразнейшие экосистемы. Подходя к выбору участков карбонового полигона, ученые опирались, с одной стороны, на их особенности, с другой — на степень изученности. В итоге были определены семь участков общей площадью более 11 тысяч гектаров, представленные пашней, лесом, болотом, ковыльной степью и залежными землями.

О том, почему именно они значимы для проекта карбонового полигона, рассказал заместитель начальника лаборатории мониторинга климатических изменений углеродного баланса экосистемы Центра технологий декарбонизации УГНТУ, старший научный сотрудник Уфимского института биологии УФИЦ РАН Павел Широких.

— Наибольшим по площади участком стал участок неиспользуемых пахотных угодий — залежных земель, расположенный в Мишкинском районе. И это показательно: в Башкирии залежные земли по разным оценкам занимают от трех до четырех миллионов гектаров, это самая большая площадь среди других регионов России, — пояснил Павел Сергеевич. — Когда участок земли перестают эксплуатировать в сельском хозяйстве, начинается восстановление естественной растительности, особенно массово — древесных видов. В период активного роста деревьев — до 50 — 80 лет в зависимости от породы — они поглощают максимальное количество углерода и сохраняют его в себе. Эти земли были заброшены в 90-е годы прошлого века, и сегодня молодой лес — идеальный объект для изучения его поглощающей способности.

 Уникальным объектом для изучения стало болото Берказан-Камыш площадью более 700 гектаров в Давлекановском районе. Дело в том, что в 40 — 50-е годы в стране массово осушали болота для добычи торфа, который использовался в качестве топлива, а также под новые сенокосы, пастбища и пашни. Одним из них стало Берказан-Камыш. Однако, когда болото осушили, торф начал разлагаться и в атмосферу начали выделяться углекислый газ и метан, то есть оно стало эмитентом — источником выбросов парниковых газов. В год болото выбрасывало в атмосферу около тысячи тонн углерода.

 В 2018 году благодаря программе ООН по охране окружающей среды его удалось восстановить. На тот момент это был единственный опыт вторичного обводнения болота в России. Травяное низинное болото Берказан-Камыш снова начало поглощать углерод и связывать его в виде торфа, а у ученых появилась возможность изучить разницу между объемами выбросов в атмосферу до обводнения и депонирования (то есть поглощения) углерода после него.

Кроме того, с использованием ГИС-технологий ученые составили карту болотных экосистем республики (всего 1246 объектов), которая позволит экстраполировать данные, полученные с модельного болота Берказан-Камыш, на аналогичные объекты. На сегодняшний день уже выявили 296 осушенных болот, из них 45, площадью до 800 гектаров, было предложено для восстановления. Их вторичное обводнение увеличит поглощающую способность экосистем.

Еще одним участком карбонового полигона стал участок ковыльной степи в Давлекановском районе. Хотя в Башкирии степи занимают маленькую площадь — около семи процентов территории, и большинство из них деградированы в результате нерегулируемого выпаса скота, исследования здесь очень перспективны. Степь в естественном ненарушенном или слабо нарушенном состоянии (как та, которую включили в свои исследования ученые) обладает хорошей поглотительной способностью.

Для ее изучения в сентябре 2023 года в Давлекановском районе установили станцию Eddy Covariance с комплексом специального оборудования, способного производить точные замеры парниковых газов и различных климатических параметров. Сегодня эта станция единственная в России на степном участке. Ученые уже получают и успешно интерпретируют ее данные. А сравнивая их с результатами исследований на участках степных экосистем с различными видами антропогенного воздействия, они смогут оценить влияние выпаса и сенокошения на эмиссию углекислого газа и разработать рекомендации по оптимизации использования степных экосистем республики. Это позволит снизить выбросы парниковых газов, а также сохранить и восстановить уникальные сообщества, в состав которых входит большое количество редких и исчезающих видов растений, включенных в Красные книги РБ и РФ.

Здесь же весной планируется установить мобильно-лабораторный комплекс и модульные домики для проживания ученых и студентов.

Задача ученых не только выяснить, сколько углерода поглощает та или иная экосистема, но и разработать методы и технологии для повышения поглотительной способности различных экосистем. Для этого были созданы карбоновые фермы. Например, в Мишкинском и Караидельском районах проводятся опыты по использованию различных вариантов рубок ухода (осветления). На определенных участках леса деревья растут очень густо, им не хватает света, и они вытягиваются в высоту, в итоге формируются деревья с очень тонкими стволами и узкими кронами. Рубки ухода позволяют ускорить рост оставшихся деревьев, а значит, в десятки раз увеличить биомассу и объемы поглощения углекислого газа.

Ряд опытов проводится с использованием комплекса удобрений, которые позволяют стимулировать рост и развитие деревьев. А в будущем планируется восстанавливать деградированные степи, высевая семена растений, скошенных на плодородных участках в период плодоношения, а также выращивая бобовые культуры, что приведет к активизации накопления углерода в почве и, как следствие, — к увеличению ее плодородия. Кроме того, из надземной части бобовых культур будут производить кормовые гранулы.

Уникальность этого объекта заключается и в том, что разработанные методы и технологии могут быть масштабированы на аналогичные территории, например, Казахстана, Китая, Ирана и Монголии.

Как всё подсчитать

Каким же образом проводятся исследования поглотительной способности экосистем? Первый этап этой работы — полевые экспедиции. Задача ученых — понять, сколько углерода поглощает каждый элемент экосистемы. Для этого на участке выбирается квадрат 50 на 50 сантиметров, и внутри него исследователи отбирают пробы всех элементов: надземной и подземной частей травянистой растительности, засохшей травы — мортмассы. Также анализируются образцы древесной растительности: ствол, ветви и хвоя (или листва). Все образцы измельчаются до состояния пудры и передаются на анализ в химическую лабораторию, где ученые с помощью элементного анализатора определяют содержание в них углерода, азота и водорода. На каждом участке может быть несколько десятков таких квадратов. Чем их больше, тем точнее конечный результат. На лесных участках (около 50 кв. метров) и залежных землях с лесовозобновлением определяют возраст, высоту и диаметр деревьев, запас древесины, прирост и объем отдельных деревьев и их частей.

Одновременно проводится лидарная и мультиспектральная съемка модельных территорий с помощью беспилотных летательных аппаратов, которая помогает определить породы деревьев, изменение высот в рельефе, высоту каждого дерева на площадке, объем кроны, запасы биомассы и многие другие характеристики.

Используя полученную информацию, уфимские ученые разработали новую методику, позволяющую достаточно точно определять, сколько углекислого газа поглощает та или иная экосистема. Наконец, чтобы масштабировать эти результаты на аналогичные экосистемы, ученые переходят к использованию спутниковых снимков.

— С помощью машинного обучения мы уже разработали алгоритм, который позволяет рассчитывать запас древесины для березовых и сосновых лесов, формирующихся на залежных землях, по данным съемки беспилотных летательных аппаратов, — рассказала заместитель начальника лаборатории геоиформационных технологий, ведущий специалист Центра технологий декарбонизации, доцент УУНиТ Екатерина Богдан. — В настоящее время ведется работа по созданию аналогичного алгоритма для спутниковых снимков. Пока они дают достаточно грубую оценку. Однако подключив результаты наземных исследований и лидарной съемки, мы сможем откалибровать спутниковые данные и получить более точные результаты для больших территорий. В ближайшие годы эта работа будет продолжена, и мы сможем автоматизировать процесс оценки депонирования углекислого газа разными лесными экосистемами.

Кадры будущего

Ученые подчеркивают, что программа карбоновых полигонов научно-образовательная, ведь важно не только проводить исследования, но и обучать специалистов, которые будут заниматься этим в дальнейшем. Для этого в 2021 году в УГНТУ запустили новые программы магистратуры «Изменение климата и устойчивое развитие территорий» и бакалавриата «Мониторинг экологических систем», а также несколько программ дополнительного образования в этой сфере. Освоив эти программы, выпускники смогут решать задачи карбоновых полигонов, разрабатывать климатические проекты, станут экспертами по климатическим изменениям и устойчивому развитию. Такие специалисты сегодня нужны практически на всех крупных предприятиях, в бизнес-структурах, в сфере экологического предпринимательства, банковской сфере, в индустриальных компаниях.

— Наши студенты участвуют в экспедициях на участках карбонового полигона, — добавляет старший научный сотрудник Центра технологий декарбонизации Роза Бахтиярова. — Так, прошлым летом студенты УГНТУ и УУНиТ провели пять дней на участке около села Насибаш в геопарке «Янган-Тау», где ребята не только отбирали пробы для исследований и готовили их для анализа, но и общались с учеными. За выполненную работу студенты получили зарплату, кроме того, это практическая часть их будущих выпускных квалификационных работ.

Студенты нефтяного университета, добавила Роза Сагитовна, участвуют в различных конференциях и научных семинарах по этой теме, а также сами проводят мастер-классы и интенсивы в школах Башкирии.

Магистрант второго курса по направлению «Изменение климата и устойчивое развитие территорий» Анастасия Витценко тоже принимала участие в экспедиции в Насибаше, а недавно побывала в Сочи в «Школе молодых ученых».

— Карбоновые полигоны — это новая, неизученная тема, по ней не очень много публикаций, — отметила девушка. — Поэтому у тебя появляется возможность сделать новый шаг в науке, участвовать в исследованиях, разработке методик. Этим она меня и привлекла. Моя работа связана с дистанционным зондированием Земли, космическими снимками. Думаю, буду продолжать трудиться в этом направлении.

СПРАВКА

Сегодня в России существуют 18 карбоновых полигонов общей площадью около 40 тысяч гектаров. Проект «Евразийский карбоновый полигон» реализуется в рамках прорывных проектов ПФО.