Тайны чернозема: новая технология подскажет, как не убить грунт

Специалисты Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с коллегами из Почвенного института имени В. В. Докучаева Российской академии наук создали инновационный физико-математический метод анализа структуры почвы. Как рассказала пресс-служба МФТИ в эксклюзивном материале для портала Наука Mail, новая технология позволяет строить детальные цифровые карты изменений, которые происходят в грунте при циклах его увлажнения и последующего высыхания.

Почва устроена гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Это не однородная масса, а высокоорганизованная система, пронизанная сетью микроскопических пустот — пор. Именно от конфигурации и размеров этих пор зависит, насколько хорошо грунт удерживает влагу, насыщается кислородом, сохраняет минеральные вещества и, в конечном счете, остается плодородным. Однако структура почвы не статична: после дождя или искусственного полива поры могут расширяться, сжиматься и образовывать новые каналы и трещины.

До последнего времени ученые при изучении почв в основном ориентировались на такие обобщенные показатели, как общая плотность и суммарная пористость. Такой подход, поясняют авторы разработки, давал лишь усредненную картину и не позволял отследить тонкие локальные изменения структуры. Исследователи из Центра вычислительной физики МФТИ предложили гораздо более детальный и точный метод.

Алгоритм их работы выглядит следующим образом. Сначала ученые совмещают трехмерные компьютерные снимки одного и того же почвенного образца, полученные в разные моменты времени: при естественной влажности, после полного насыщения водой и после этапа высыхания. Затем полученные изображения одновременно обрабатываются с помощью нескольких математических методик. Результаты этого исследования были опубликованы в авторитетном научном журнале Soil and Tillage Research.

Как пояснил старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ Кирилл Герке, используются три основных подхода. Корреляционные функции позволяют получить общую статистику почвы: как чередуются поры и плотные минеральные частицы, на каком расстоянии они находятся друг от друга. Поросетевые модели показывают, как различные участки грунта сообщаются между собой и насколько свободно вода с растворенными питательными веществами может перемещаться внутри этого пространства. И наконец, персистентная гомология — раздел топологии, изучающий устойчивость форм — описывает в цифровом виде изменения формы и связности пор.

После завершения обработки система создает детальную цифровую карту, которая наглядно демонстрирует, насколько сильно изменилась структура почвы за полный цикл «увлажнение — высыхание». Для проверки работоспособности метода исследователи проанализировали 150 трехмерных изображений пятнадцати образцов чернозема различных типов. Снимки были получены с помощью рентгеновской микротомографии — технологии, которая по сути позволяет заглянуть внутрь почвенного образца, не разрушая его, и увидеть его внутреннее строение с высоким разрешением.

Впервые в истории ученые смогли оценить,  насколько сильно конечное состояние почвы отличается от исходного после полного прохождения цикла намокания и последующего высыхания. Оказалось, что степень необратимых изменений напрямую связана с двумя параметрами: содержанием в почве органического углерода и соотношением между частицами глины и песка.

Разработка физиков и почвоведов может найти применение сразу в нескольких практических областях. В сельском хозяйстве новая технология позволит аграриям подбирать оптимальные режимы орошения без риска потери плодородия почв. В строительной отрасли метод поможет заранее оценивать риски деформации грунта при возведении зданий, прокладке автомобильных дорог и подземных коммуникаций (трубопроводов, кабелей). Экологи, в свою очередь, смогут использовать эту технологию для ранней диагностики деградации земель — выявления негативных процессов на самой начальной стадии. Следующим этапом работы, как уточнили в МФТИ, станет адаптация разработанного метода для различных типов почв, а также создание практических рекомендаций для аграриев, строителей и экологов.