Апробация технологии восстановления лесов методом имитации аэрозасева с применением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для целей сохранения биоразнообразия

Введение

В результате экстенсивного освоения ресурсной базы, полезных ископаемых и природных ресурсов в Мурманской области в советский период России был накоплен значительный экологический ущерб, приведший к нарушению естественных лесных насаждений. Лесные массивы были подвержены разрушению как в результате выбросов с предприятий, так и за счет лесных пожаров, спровоцированных человеком из-за неосторожного обращения с огнем. В районе г. Мончегорска до сих пор остаются пустующие земли, на пожарищах, сформированных в 90-е годы, все еще не началось возобновление хвойных лесов. Нарушения лесных массивов происходили в том числе за счет выбросов с металлургического предприятия Кольской ГМК.

Вместе с тем в настоящее время на предприятии идет процесс установки современных очистных сооружений, эффективно очищающих выбрасываемые газы. Так, по данным Кольской ГМК [1], новая установка, введенная в эксплуатацию в 2025 г., входит в число 180 мероприятий комплексной экологической программы компании на Кольском полуострове, общий объем финансирования которой до 2031 г. превысит 71,7 млрд рублей. Основная задача системы — сокращение выбросов диоксида серы (SO₂) от печей кипящего слоя в рамках единой системы очистки газов. Ожидается, что ежегодный объем выбросов будет снижен почти на 1 тысячу тонн. По данным компании, в 1990-е гг. объем выбросов SO₂ на Кольской ГМК составлял порядка 500 тысяч тонн. К 2015 г. этот показатель снизился до 155,1 тысячи тонн, а по итогам 2024 года — до 12,4 тысячи тонн, в том числе благодаря реализации Серной программы.

В настоящее время вокруг предприятия во всех направлениях началось активное восстановление флоры, хорошо распространяются и поднимаются массивы березы, ивы и осины за счет мелких легких семян, распространяемых ветром с больших расстояний, массово развиваются травянистые растения, иван-чай, осоки, злаки и другие, семена которых также распространяются ветром на большие расстояния. На протяжении лета вплоть до зимы флора остается зеленой, хорошо развивается, наблюдается заметный рост. Это свидетельствует о минимизации уровня загрязнений, критичных для произрастания лесных массивов. В то же время сухие и обугленные стволы свидетельствуют о произрастании ранее на данной территории сосен и елей. В настоящее время сложились условия, позволяющие произрастать этим лестным культурам, но материнские растения, являющиеся источниками семян, находятся на значительном удалении, что не позволяет быстро начаться процессу самовосстановления лесов, даже несмотря на сильные ветры различных направлений. Стала очевидна необходимость искусственного восстановления лесных насаждений различными методами. В настоящее время в приоритете является метод высадки сеянцев различного размера, этот метод является эффективным на ограниченных площадях, поскольку требует значительных затрат на этапе выращивания сеянцев в специальных питомниках, изъятия нарушенной почвы, завоза чистой подготовленной почвы. В нашем эксперименте на первом этапе работ мы провели отсев пробной территории площадью 2,1 га. Были получены положительные результаты: несмотря на крайне засушливое лето, осенью 2024 года на экспериментальном участке были получены всходы сосны обыкновенной в необходимом количестве, на некоторых участках до 50–60 шт. на 1 м². Наиболее подходящими для всходов оказались грунты с высоким содержанием торфа, положительный эффект был получен на участках без внесения дополнительных грунтов.

Таким образом, получив положительные результаты на пробном участке, стало очевидно, что работу возможно масштабировать и провести сев хвойных культур большей площади, с применением современных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Был проанализирован мировой опыт применения БПЛА для целей сева различных культур, выбрана подходящая платформа. Отобраны участки, нуждающиеся в аэросеве с различным типом рельефа, разработаны проекты лесовосстановления, заготовлены семена сосны и ели, проведен аэросев семян на 10 участках сева общей площадью более 150 га. В ходе мониторинговой экспедиции была изучена всхожесть семян высаженных хвойных пород на различных экспериментальных участках, оценена эффективность метода аэросева семян хвойных пород с применением БПЛА.

Материалы и методы

В ходе работы для проведения аэросева было заготовлено 271,4 кг семян сосны обыкновенной, которые были упакованы в 10 мешков фасовкой по 25,4 кг вместе с упаковкой и 1 мешок весом 21,4. Каждый мешок был тщательно запакован и перенесен на хранение в холодное темное помещение зимой 2024–2025 гг. Заготовка семян производилась на Северо-Западе России, в Лесосеменном районе 1 (ЛСР 1), что позволяет перебрасывать семена в Мурманскую область. Также было приобретено 2 кг семян ели обыкновенной: из-за засухи 2024 г. на Северо-Западе России шишка ели не уродилась, в результате удалось приобрести ограниченное количество семян ели подходящего ЛСР 1 из запасов 2023 г.

В эксперименте по аэросеву применялся БПЛА DJI Agras T10 (рис. 1), учетный номер 0899e55, максимальной взлетной массой 24,8 кг, грузоподъемностью 8 кг со стандартным программным обеспечением DJI Agras. Всего было проведено более 70 полетов в снаряженном состоянии общей продолжительностью более 1000 минут. Для полетов использовалось разрешение администрации города Мончегорска №01-028-2094 от 15.05.2025, а также администрации Печенгского муниципального округа Мурманской области № 19 от 10.06.2025 г.

Для заряда батарей применялся бензогенератор Konnen&Sohnen KS10000E ATS мощностью 8 кВт в сочетании с зарядной станцией для DJI Agras T10. Всего в работе использовалось 3 стандартных аккумулятора DJI Intelligent Flight Battery T10 емкостью 9500 мАч.

Для распределения семян использовался бункер для разбрасывания сухих грану — система разбрасывания T10 Spreading System 3.0 (рис. 1), производительность от 0,5 до 100 кг/га.

Предварительно была подготовлена карта расположения участков (рис. 2). Проектной организацией была предложена концепция по выбору участков, включающая использование нескольких участков на территории города Мончегорска, нескольких участков в буферной зоне между Промплощадкой Кольской ГМК и Мончегорском и несколько участков на территории Промплощадки Кольской ГМК. Участок 1 относится к территории Мончегорска, имеет площадь 27 га, Участки 2, 3 и 8 находятся в буферной зоне, между городом и Промплощадкой, имеют суммарную площадь 53 га. Участки 4 и 6 находятся на территории Промплощадки Кольской ГМК, имеют площадь 14 га. Участки 5 и 7 находятся за пределами Промплощадки Колькой ГМК, здесь грунты носят каменистый характер, их выбрали в качестве экспериментальных, чтобы проверить, прорастут ли здесь семена и как будут чувствовать себя сеянцы на скальных грунтах. Площадь участков — 7 га. Участки 9 и 11 являются резервными, их суммарная площадь — 348 га, они были выбраны на случай невозможности проведения эксперимента на территориях участков 1–8 из-за возможных ограничений полетной зоны или иных причин. Следует отметить, что участок 7 (рис. 2) был исключен администрацией Мончегорска в связи с тем, что он уже включен в зону рекультивируемых земель. Высвободившиеся из 271,4 кг сосны были распределены на дополнительные площади, в том числе на 9-й и 11-й резервные участки.

Семена для засева были привезены в мешках. При наполнении бункера БПЛА семенами делали смесь семян минимум из 2 мешков сосны и мешка ели, чтобы обеспечить максимальную эффективность перемешивания семян, добиться высева семян из разных партий заготовки. Весь объем семян был распределен на участках засева.

При аэросеве с учетом сложного рельефа местности, наличия препятствий и непригодных для произрастания областей (дороги, водоемы, дренажные канавы) для каждого участка непосредственно на месте строился свой план автоматического полета в режиме сева на базе программного обеспечения БПЛА DJI. Некоторые крупные участки, «изрезанные» линиями ЛЭП, разбивались на сектора с учетом охранной зоны ЛЭП 25 м, в границах которой запрещены полеты. Также в этой зоне нецелесообразно проводить сев, поскольку после подъема леса насаждения будут срублены бригадами косарей и вальщиков для сохранения охранной просеки. Точный план полета на открытых участках, без ЛЭП, столбов, заборов, высоких одиночных деревьев возможно строить на основе встроенной в программное обеспечение карты спутниковых снимков, используя в качестве ориентиров береговую линию озер, канав, дорог и др. Данный способ планирования полетов хорошо работал 21–23 мая. После 24 мая, с потеплением, началось интенсивное таяние снега, ручей Кумужий наполнился паводковой водой, в результате чего области на участке 3 попали в зону затопления, которая не отображалась на летних спутниковых снимках. В итоге план полетов строился с помощью пульта управления БПЛА и модуля RTK, обеспечивающего точность позиционирования до одного метра. Аналогичный способ построения использовался в зонах ЛЭП, что позволяло построить схему участка, исключающую возможность залета в охранную зону. Крайняя точка подлета ставилась на расстоянии не ближе 1 метра от таблички «Охранная зона ЛЭП». В случае сильного ветра часть семян могла попадать в эту зону за счет сноса, но в этих случаях делали поправку на ветер и точку полета строили несколько дальше от таблички.

Фактическая работа по аэросеву проводилась с 23 мя по 6 июня 2025 г. в соответствии с полетным планом и предоставленной полетной зоной, на каждый день — новая полетная зона. С учетом погодных условий — ветер, осадки и т. п. — некоторые участки засевали за один подход, некоторые — за 2 дня. Перед высевом семян производилась калибровка автоматической системы распределением с заданным параметром 1,0, или 1,5, или 2,0 кг семян на 1 га. Полет осуществлялся преимущественно в автоматическом режиме с заранее заданными параметрами. Скорость полета — 7–8 м/с, расстояния между транссектами на участке — 7–9 м в зависимости от силы ветра, высота полета — 8–15 м. Минимальная высота задавалась на участке без древесных культур, максимальная — на участках с холмистой местностью и насаждениями из осин и берез, в районе участка 8. Направление транссект определялось в соответствии с направлением ветра так, чтобы БПЛА двигался на ветер или по ветру, в этом режиме наблюдалась максимальная экономия энергии.

Для оценки всхожести сеянцев хвойных пород была применена оригинальная методика. На каждом участке засева выбирали 3–9 точек в случайном порядке, на которых с помощью рулетки (5 м), вымеряли квадрат площадью 2 × 2 метра и на нем пересчитывали все обнаруженные сеянцы хвойных пород. Также проводили описание участка, учитывали тип грунта, увлажнение, наличие древесных остатков, индивидуальные особенности. Суммарная всхожесть для каждого участка рассчитывалась на основе среднего показателя со всех промеренных точек участка. Далее делали пересчет средней всхожести для изученного участка. Количество сеянцев каждого отдельного участка суммировали и получали итоговую цифру со всех участков. Идентификацию саженцев по видам не проводили, в показателе «всхожесть» показана информация суммарно для сосны и ели. Идентификация саженцев будет производится на более поздних этапах мониторинга, после формирования полноценных растений.

Работа по изучению всхожести участков проводилась на протяжении 4 дней в различные даты. Участки 0, 1, 2, 3, 4 и 6 обследовали 25 сентября, участки 5, 8, 11 и 9 провели 15 октября, участок 1 — 16 октября, все участки были обследованы до выпадения снега. Следует учесть, что процедура по обследованию занимает много времени, в условиях короткого светового дня следует закладывать дополнительные дни на пешие маршруты на обследование участков в будущем.

Результаты и обсуждение

Выбор дрона DJI Agras T10 для эксперимента был сделан неслучайно. Технические расчеты, включающие объем бункера (до 8 кг), скорость полета до 10 м/с, объем сева 1,5–3,0 кг/га, показали, что наиболее подходящим и энергоэффективным для полетов является именно этот БПЛА. За время полета (около 12 минут и 2–3 минуты на возврат) дрон успевает облететь около 3 га с заданным шагом 7–9 метров между транссектами, при этом распределив до 5 кг семян сосны и ели. С учетом низкой плотности семян сосны бункер вмещает около 5,5 кг семян сосны. В результате ко времени опустошения бункера батарея разряжалась на 80 % и процедура очередной загрузки бункера совпадала со временем замены батареи. Также к моменту замены батареи успевала зарядиться очередная батарея. В результате циклическое использование трех батарей позволяло осуществлять непрерывный посев семян. 1 батарея постоянно находилась на зарядке, одна была установлена на дроне, а одна находилась близ точки посадки дрона и очередного пополнения бункера. Применение дрона большей массы, такого как DJI Agras T20 с грузоподъемностью 20 кг или аналогов, окажется энергетически неэффективным. Дрон с большей массой в воздухе может находится не более 15 минут, за это время он сможет посеять не более 5 кг из возможных 15. После разряда батареи будет необходим возврат на точку старта для замены батареи с неопустошенным бункером. В итоге дрон будет возможно загружать лишь на треть от его возможностей и его применение будет нецелесообразным.

При первичной проработке проекта объем высева семян взяли из нормативов СССР для аэросева с расчетной величиной 2,5 кг/га, были выбраны участки для засева планируемой общей площадью 100 га с резервными площадями до 200 га. Также дополнительно к ним включили еще один участок близ п. Заполярный площадью 5 га. Заготовку семян произвели исходя из первичный данных. После подготовки проекта лесовосстановления инженерами были рассчитаны нормы высева от 1 до 2 кг семян сосны на 1 га. В результате избыточные объемы семян в ходе работы распределили на резервных площадях, которые были заранее запланированы и утверждены. В результате итоговая площадь засева в районе Мончегорска составила 150,5 га.

Всего в ходе работы с помощью дрона DJI Agras T10 было засеяно 150,5 га экспериментальных площадей. На них было суммарно распределено 245,8 кг семян сосны обыкновенной и 1,8 кг ели европейской ЛСР 1. Это составило суммарно более 38 000 000 семян. Работа была начата 23 мая и завершена 6 июня 2025 г. Основные сложности в работе представляли погодные условия, разрешительная документация (ограниченное время согласованных полетов) и форсмажорные обстоятельства.

В целом функциональность агродрона DJI Agras T10 позволила полностью выполнить запланированные показатели в срок и перевыполнить их. Дополнительные площади были засеяны за счет высвободившегося объема семян в результате снижения нормы высева семян с 2,5 до 1,5 кг на 1 га в среднем.

В ходе осенней работы был осуществлен мониторинг результатов сева 9 участков в районе Мончегорска. Практически на всех участках удалось обнаружить сеянцы сосны разной стадии развития (рис. 3).

На участке засева 1 средняя всхожесть сеянцев сосны составила 3 шт. на 4 м² с учетом засеянной площади 27,6 га и распределенных 8 550 447 семян сосны обыкновенной и ели, всхожесть составила 215 800 сеянцев, эффективность прорастания семян составила 2,5 %. Следует отметить, что первоначальная всхожесть в июне была значительно выше, 25–27 сеянцев, на 4 м², но далее произошла гибель сеянцев и уже 10 августа на том же участке присутствовали погибшие, сухие сеянцы и свежие проросшие. В ходе мониторинга 16 октября июньские сеянцы с хорошо сформированными настоящими иголками отмечены нами только в одной мониторинговой точке У 1.2, она является самой северной, находится на северо-востоке участка в приозерной торфяной низменности. Визуально эта точка находится за пределами шлейфа завода, протянувшегося в северо-западном направлении, остальные же точки мониторинга располагаются в пятне рельефа с минимальным уровнем самовосстановившейся зелени. Предположительно, причиной гибели сеянцев стал период июльского тепла на протяжении 11 дней и 6 дней в августе, а также, вероятно, накопленные в торфе загрязнители. На остальных точках обнаружены сеянцы, которые проросли вторично после обильных ливней в августе и сентябре, некоторые сеянцы все еще сохраняли иголки внутри семенной кожуры.

Эффективность сева на участке 1 оказалась довольно низкой и не превысила 2,5 %, в то же время было получено 215 800 сеянцев сосны обыкновенной и ели. Данный сев в значительной степени стал мониторинговым, позволил оценить различные почвы в разных секторах участка, что позволит сформировать эффективную программу лесовосстановления на данном участке в будущем.

Средняя эффективность сева на участке 11 составила 11,2 сеянца на 4 м², с учетом площади участка 21,4 га из 4 964 605 распределенных семян взошли 599 200 сеянцев на всем участке. Эффективность всхожести составила 12 %, это лучший показатель, которого удалось добиться в окрестностях Мончегорска. На обследованном участке 11 преимущественно хорошо обводненные участки, на них обнаружены июньские сеянцы с хорошо развитыми настоящими иголками, на участках с недостатком влаги обнаружены как июньские, так и августовские сеянцы, взошедшие после обильных ливней в августе. На участке минимальная всхожесть наблюдалась в точках, возвышающихся над болотами, где проявляется недостаток влаги; есть участки с «коркой» условно живого мха, не позволяющей эффективно прорастать и закрепляться сеянцам хвойных пород деревьев на торфе.

В целом эффективность работ по аэросеву на данном участке оказалась наилучшей среди экспериментальных площадок близ Мончегорска, была достигнута эффективность всхожести сеянцев 12 %, было получено около 600 000 сеянцев сосны обыкновенной и ели, которые в основном хорошо сформировались, имеют развитую розетку настоящих иголок.

Аналогичный детальный анализ был сделан для всех участков и исследованных точках на них, все результаты в данную публикацию не вошли. Обобщенные данные результатов со всех точек мониторинга приведены в таблице 2. В 2025 году удалось суммарно учесть на 9 экспериментальных площадках 1 639 375 сеянцев сосны, преимущественно июньские всходы, с хорошо сформированными настоящими иголками, в то же время на участках присутствовали сеянцы, проросшие в августе и сентябре, после начала осенних дождей. Средняя всхожесть и приживаемость для Мончегорска составила 4 сеянца на 4 м², или 4,1 % от количества распределенных семян. Наибольшая эффективность засева была получена на участке 11 — 12 % на Восточном берегу озера Нудъявр, наихудшая — 0% — в районе участка 2, близ железной дороги и ручья Кумужий.

Промежуточный мониторинг на участке 1 в конце июня показал высокие результаты всхожести, до 25–27 экз./4 м², тогда как 10 августа на том же участке присутствовали полностью высохшие июньские всходы и начали прорастать новые сеянцы, но в меньшем остаточном количестве. Участки восстановления леса и флоры в окрестностях Мончегорска следует рассматривать как сухие пустыни и применять технологии, позволяющие сохранить влагу и дополнительно внести ее. Требуется орошение участков, мульчирование песчаных грунтов, затенение, посадка саженцев на большую глубину с более развитой корневой системой. По возможности отсыпка песчаных участков привозным торфом.

Наиболее сложным для лесовосстановления являются склоны горы Сопчуайвенч, здесь наблюдается значительная эрозия почвы, старые пни будто висят в воздухе с оголенными корнями, склоны потеряли почву и грунт до 20–25 см в результате выветривания и смывания водой. В то же время на склонах горы, где сохраняется сток ручьев, сформированы своеобразные оазисы, в которых флора хорошо произрастает, на расстоянии не более 1,9 км от Промплощадки КГМК под кронами берез и елей растут черника, брусника и багульник. Есть следы жизнедеятельности лосей.

Заключение

В ходе работы был успешно апробирован агротехнический БПЛА DJI Agras T10 с максимальной взлетной массой 24,7 кг, грузоподъемностью 8 кг. В мае и июне 2025 г. успешно проведена работа по аэрозасеву 9 участков в районе города Мончегорска, всего 150,5 га. На них было успешно распределено 248,5 кг семян сосны обыкновенной и 1,8 кг ели европейской ЛСР 1, 1-й класс всхожести, это составило около 38 114 000 семян.

Осенью 2025 г. проведена мониторинговая работа по эффективности прорастания и приживания сеянцев сосны обыкновенной и ели, посаженной методом имитации аэрозасева. Всего на 11 участках было получено около 1 800 000 сеянцев хвойных пород, средняя эффективность всхожести составила 4,2 %. В окрестностях Мончегорска на наилучшем участке была достигнута всхожесть на уровне 12 %.

Косвенным результатом работы по аэрозасеву стал мониторинг участков с различным типом грунта, уклонов, рельефа. Были выявлены негативные факторы, влияющие на прорастание сеянцев хвойных пород, и других видов флоры. При восстановительных мероприятиях следует рассматривать засеваемые участки как пустыни. Отсутствие растительного покрова, шлаковые и песчаные грунты, большие уклоны, сильный ветер, полярное солнце, отсутствие тени и влагоудерживающей дерновины в своей результирующей сумме дают эффект пустыни, особенно в жаркие июльские и августовские дни. Влага от дождей просачивается в песок или скатывается по склонам, в случае затяжных сухих периодов более 7 дней происходит гибель молодых ростков, в результате не удается восстановить растительный покров.

Дополнительным негативным для прорастания фактором стало присутствие на торфяных участках «корки» из условно живого мха: данное естественное образование не позволяет семенам растений закрепляться в минеральном слое, это покрывало имеет темно-зеленый или черный свет, что при интенсивном солнце приводит к ускоренному процессу иссушивания сеянцев.

На экспериментальном участке 0, засеянном в 2024 г., спустя два летних сезона и одной зимовки было учтено 28 850 сеянцев сосны, итоговая цифра приживаемости сеянцев составила 4 % от первоначально распределенных семян на 2,2 га в среднем. 3 участка с подготовкой грунта по разным причинам остались практически без сеянцев. На неподготовленном участке на площади 1,2 га эффективность приживания составила 12 %. Сеянцы преимущественно прижились на хорошо обводненных заболоченных участках и вдоль ручьев.

В целом работа по аэросеву позволила отработать уникальную инновационную методику лесовосстановления, позволив засеять в ограниченный сроки порядка 150,5 га пустующих земель. Мониторинговые мероприятия позволили выявить причины отсутствия процессов самовосстановления лесов на некоторых участках вокруг Мончегорска, на некоторых локациях удалось достичь высоких показателей всхожести и приживаемости сеянцев сосны и ели. Данную методику можно рекомендовать в арктических условиях Северо-Запада России.

Вклад автора

Автор подтверждает единоличную ответственность за концепцию и дизайн исследования, сбор и анализ данных, интерпретацию результатов, а также подготовку рукописи.

Author contribution statement

The author confirms his sole responsibility for the concept and design of the study, data collection and analysis, interpretation of results, and preparation of the manuscript.

Благодарности

Финансовое обеспечение работ осуществлялось за счет средств АО «Кольская ГМК» (г. Мончегорск), договор КГМК/720 от 16.05.2023 г., при содействии Министерства природных ресурсов Мурманской области и администрации города Мончегорска, выражаем им особую благодарность.

Acknowledgments

The work was funded by Kola MMC JSC (Monchegorsk) under Contract No. KGMK/720 dated May 16, 2023, with the assistance of the Ministry of Natural Resources of the Murmansk Region and the Monchegorsk City Administration, to whom we would like to express our special gratitude.