В научной работе, выполненной доктором Ши Цибинем из Института геологии и геофизики Китайской академии наук в сотрудничестве с международными партнерами, применялся новаторский подход к отслеживанию состояния почвы.
Исследование, опубликованное в журнале Science, показывает, что здоровая почва содержит естественную внутреннюю «водопроводную» сеть микроскопических пор и каналов, которые позволяют воде проникать глубоко в землю, где она становится доступной для корней растений.
Частая вспашка или интенсивное движение тракторов не только нарушают структуру почвы, но и снижают ее способность защищать сельскохозяйственные культуры от наводнений и засухи.
Команда использовала новаторскую методику для наблюдения за процессами в подземных слоях почвы без проведения земляных работ. Исследователи преобразовали стандартные волоконно-оптические кабели — аналогичные тем, которые используются в высокоскоростных интернет-сетях — в крупномасштабную систему датчиков, установленную на экспериментальной ферме в Университете Харпера Адамса в Великобритании.
Установив систему датчиков для обнаружения мельчайших колебаний грунта, вызванных потоком воды, исследователи смогли ежеминутно отслеживать движение воды в почве.
Используя данные высокоточной волоконно-оптической диагностики, они обнаружили, что в сильно обработанной почве дождевая вода, как правило, скапливается у поверхности. Поскольку вода остается на небольшой глубине, она быстро испаряется под воздействием солнечного света, оставляя более глубокие слои почвы сухими.
Напротив, нетронутые почвы действуют как эффективные природные фильтры, быстро впитывая воду и накапливая ее в более глубоких слоях, где растения могут получить к ней доступ в засушливые периоды.
Для объяснения этих наблюдений исследовательская группа разработала динамическую модель капиллярного напряжения, которая предполагает «эффект чернильницы» в структуре почвенных пор. Другими словами, вода легко втекает в пору (бутылку), но вытекает с большими трудностями.
Эти различия объясняются капиллярными силами, которые удерживают почву вместе с большей или меньшей силой в зависимости от того, высыхает почва или увлажняется — даже когда общее содержание влаги остается неизменным.
Эта модель гораздо сложнее, чем традиционная механика грунтов, которая, как правило, предполагает, что прочность грунта зависит в первую очередь от общего содержания воды.
«Почва — это не просто скопление частиц, а пористая среда, структура которой функционирует подобно капиллярным сосудам в круговороте воды», — подчеркивает доктор Ши.
Полученные результаты подчеркивают необходимость переосмысления методов управления сельскохозяйственными землями. Чрезмерная обработка почвы и ее уплотнение, вызванные тяжелой техникой, не просто перестраивают частицы почвы; они разрушают невидимые механические связи, которые позволяют почве дышать, циркулировать воду и поддерживать экологическую стабильность.
Сохранение этих природных структур будет иметь решающее значение для адаптации сельскохозяйственных культур к все более экстремальным погодным условиям, вызванным изменением климата, пояснили исследователи.
Данное исследование примечательно тем, что вводит распределенные волоконно-оптические датчики — и более широкую область агросейсмологии — для оценки состояния почвенно-водных систем без физического нарушения целостности земель.
Благодаря такому «прислушиванию» к Земле ученые и фермеры смогут в режиме реального времени «диагностировать» состояние сельскохозяйственных почв и разрабатывать более устойчивые стратегии для производства продуктов питания.
Источник: Chinese Academy of Sciences.
