Почвоведы МГУ включили Россию в общемировое цифровое почвенное пространство

Обеспечение продовольственной, национальной, экономической и экологической безопасности, а также жизни и здоровья граждан неразрывно взаимосвязаны. Используя почвы, в результате агропроизводства человечество получает 95% потребляемых продуктов питания.

Почвенный покров — это тончайший, но важнейший и незаменимый слой на поверхности планеты. Его называют «геодерма» — кожа Земли, где соединяются и взаимодействуют все известные планетарные оболочки: литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера. За прошедшие полтора столетия сформировалась и развивалась наука о происхождении, составе, динамике, функциях и использовании почв — почвоведение. Глобальный взгляд и системный метод исследования позволил выделить отдельную важную оболочку Земли — педосферу (почвенную оболочку).

Почвенный покров неоднороден и представлен различными почвами, которые, согласно классику почвоведения В. В. Докучаеву, 175-летие со дня рождения которого отечественные почвоведы отмечают в текущем году, являются «зеркалом ландшафта».

У каждой из огромного многообразия почв есть свои «имя, фамилия и отчество». Это её название, присвоенное в соответствующих классификациях — исчерпывающих списках всех почв, выявленных и описанных до настоящего времени. В мире таких классификаций несколько, кроме того, ряд стран имеет свои национальные. В век всеобщей цифровизации весь накопленный и существующий массив информации о почвах Земли, несомненно, следует отнести к большим данным.

Россия имеет максимальную площадь почвенного покрова по сравнению с другими странами мира — примерно 14,5 млн км². Да и по площади наша страна самая большая — 17,1 млн км²_.

Сейчас много говорят о новом этапе инвентаризации сельскохозяйственных угодий в стране. На заседании правительства РФ от 06.08.2021 № 24 был рассмотрен законопроект, который касается создания государственно цифрового реестра земель сельскохозяйственного назначения. Он будет инструментом определения пригодности земель для сельскохозяйственного производства, позволит быстрее и лучше оценить, где именно есть ресурсы для новых проектов в агропромышленном комплексе, в том числе по наращиванию производства продовольствия.

Во Всемирный день окружающей среды, 5 июня 2021 года был дан старт Десятилетию ООН по восстановлению экосистем (#поколениевосстановления; #GenerationRestoration). Для преодоления крупномасштабного коллапса и сохранения здоровых экосистем предлагается за десять лет восстановить и возобновить использование 1,0 млрд га почвенного покрова. Если программу не удастся реализовать, это может подорвать благосостояние 3,2 млрд человек и на 10% уменьшить мировой валовый доход от сельскохозяйственного производства.

Одним словом, значение почвенных ресурсов возрастает в связи с ростом численности населения, глобальными процессами их деградации и утраты, а также невозможностью осуществления почвенным покровом Земли биосферных функций в прежнем объеме.

На кафедре агроинформатики факультета почведения МГУ имени М. В. Ломоносова в 2021 году были закончены работы по созданию цифрового алгоритма унификации описания почвенных профилей по ключам Мировой реферативной базы почвенных ресурсов (WRB) для идентификации всех существующих на земле почв и установления их названий по разным классификациям (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ от 25.05.2021 № 2 021 617 531).

Разработка такого программного продукта была вызвана необходимостью оптимизации использования почвенных ресурсов в агропромышленном комплексе и других отраслях хозяйственной деятельности с целью обеспечения экологической, продовольственной, экономической и национальной безопасности при условии устойчивого развития страны.

К современным направлениям науки о почве можно отнести цифровые технологии определения их свойств и локализации компонентов в пространстве. Почва является важнейшей системообразующей и неотъемлемой частью всех наземных природно-территориальных комплексов определенного иерархического уровня. Процессы, проходящие в них, чаще всего сложные и многофакторные. Именно это обуславливает необходимость собирать и обобщать накопленные в ходе прошлых и настоящих исследований разнородные данные.

Почвы — незаменимый компонент наземных экологических и продовольственных систем, основа устойчивого развития и функционирования биосферы. В настоящее время в России и за рубежом совокупный накопленный информационный массив описания почв относится к большим данным (Big Data). Следовательно, стоит задача уметь их использовать, преодолев разнородность методов получения. В итоге любая почва имеет название хотя бы в одной из существующих систем классификации (общемировой или национальных).

С 1997 года ведется разработка мировой системы классификации почв, так называемой World Reference Base (WRB). Её последний (третий) вариант опубликован в 2015 году. WRB переведена на 17 языков и находится в свободном доступе.

Когда она задумывалась, не ставилась задача заменить национальные почвенные классификации на единую универсальную. Предполагалась создать некий переход, чтобы исследователи могли понимать, с какими почвенными объектами они работают, насколько почвы близки друг к другу.

Почвы — это важнейший природный ресурс, практически невозобновляемый при нерациональном использовании, ограниченный в количестве, постоянно растущий в цене. Пока это национальное богатство, к сожалению, не получило справедливой и должной оценки в нашей стране.

Между тем ЮНЕП выдвинула концепцию «безопасного рабочего пространства» (БРП), в соответствии с которой предлагается к 2030 году использовать для нужд потребления не более 0,2 га пахотных почв на человека. Превышение данного показателя вызовет риск неприемлемого уровня: приведет к необратимому ущербу в виде сокращения биоразнообразия, высвобождения двуокиси углерода, нарушения круговорота воды и питательных веществ, вовлечения в сельскохозяйственный оборот новых участков и сокращения площадей почв в естественных биогеоценозах.

Мировая площадь пашни может безопасно увеличиться лишь до 1640 млн га. При инерционном сценарии ожидаемый глобальный спрос на почвенные ресурсы задолго до 2050 года выйдет за пределы БРП. В ЕС в среднем индекс БРП составляет 0,35 га/чел. Колебания по странам: от 0,06 — в Нидерландах и Бельгии; 0,15 — в Австрии и Германии; до 0,44 — в Венгрии и Болгарии. В США — 0,45 га/чел., в Китае — 0, 088 га/чел., в Индии — 0,124 га/чел. Очевидно, что самые населенные страны мира, Китай и Индия (суммарно около 3 млрд человек), для обеспечения национальной, продовольственной и экологической безопасности будут активно импортировать продовольствие, создавать стратегические запасы продуктов питания и учитывать этот факт при выстраивании экономической политики, а также внешнеполитической деятельности.

В России с населением 146,5 млн человек реальный индекс БРП составляет 0,63 га/чел. Площадь посевов — 80 млн га, парующие участки составляют 12 млн га, в сумме 92 млн га. А «статистический» индекс БРП — 0,79, поскольку он рассчитывается для площади пашни в 116 млн га.

Диагностика и адекватное определение названия почвы сразу позволяют получить информацию о её свойствах, характеристиках, плодородии, ландшафтах, почвенном покрове территории и о большинстве иных системообразующих параметров. Зная «имя почвы», можно предположить и среднюю многолетнюю величину потенциального урожая, и список наиболее подходящих для возделывания на данной территории сельскохозяйственных культур, способность к самовосстановлению ландшафта после загрязнения и т. д. Все это нужно использовать при рациональном управлении, обеспечении экологической, продовольственной и национальной безопасности.

Созданная коллективом преподавателей, аспирантов и студентов кафедры агроинформатики факультета почвоведения МГУ имени М. В. Ломоносова программа предназначена для автоматизации и унификации описания почвенных профилей в соответствии с ключами Мировой реферативной базы почвенных ресурсов. Программа может быть применена как для определения почв, так и для нахождения корреляций между названиями почв по разным классификациям.

Использование алгоритмов искусственного интеллекта (ИИ) значительно упростило и повысило точность реализации поставленных задач. В нашей стране диагностика почв осуществляется по классификациям 1977 и 2004−2008 годов. Сведения о почвах, определенных по двум классификациям (WRB и национальной), накапливаются в базе данных, и к следующим определениям программа может подгружать соответствующие шаблоны по тем почвам, которые она уже имеет. Это делает каждое последующее определение проще предыдущего, а программу — самообучающейся. Существенным достоинством является также автоматическое формирование названия почв по правилам WRB, которые предусматривают строгий порядок использования классификаторов разных типов.

Но главное новшество — это возможность подключить данные по тем же почвам, но определенным по другой, в нашем случае, по российской классификации.

Мы считаем, что решили важнейшую задачу науки о почвах и их устойчивого использования, а именно — установление соответствий между классификациями и Мировой реферативной базой почвенных ресурсов. Логическая цепочка название — характеристики — свойства — возможности подкреплена адекватным цифровым решением. По сути, Россия вошла в единое мировое цифровое почвенное пространство.