Как поделились на сайте «наука.рф», российские ученые создали физико-математический метод анализа структуры почвы. Метод позволяет проанализировать трехмерные изображения почвы и детально описать ее структуру. Также можно проследить, как она меняется на протяжении множества циклов намокания-высыхания.
Почва — сложная экосистема, пронизанная сетью мельчайших пор. От них зависит, будет ли почва насыщаться воздухом, удерживать воду, накапливать минералы и будет ли она плодородной. А структура ее пор меняется под воздействием внешних факторов.
Специалисты из МФТИ совместно с коллегами из Почвенного института имени Докучаева РАН отмечают, что это поможет спланировать безопасные режимы орошения сельскохозяйственных угодий, повысить урожайность и более точно рассчитывать риски обрушений при строительстве зданий, дорог и трубопроводов.
До этого ученые могли только приблизительно оценивать здоровье почвы по общей пористости или плотности, но этого было недостаточно для полноты картины.
Сначала ученые совмещают трехмерные снимки одного и того же образца, сделанные на разных этапах — когда почва только с поля, когда она полностью напиталась водой и когда высохла. Затем сопоставляют их, чтобы фиксировать изменения одного и того же участка.
Каждый кадр параллельно обрабатывается с помощью трёх математических методов.
Корреляционные функции показывают общую статистику почвы: как поры и плотные частицы чередуются и на каком расстоянии находятся.
Поросетевые модели показывают, как разные участки почвы сообщаются друг с другом и насколько свободно могут перемещаться внутри почвы вода и питательные вещества.
Персистентная гомология описывает изменения формы и связности пор в цифровом виде.
Массив чисел, полученный в результате анализа, ученые приводят к общему знаменателю, преобразуют в векторную систему и вычисляют расстояние между разными состояниями почвы. Так получается детальная карта образца, на которой видно, насколько сильные перемены произошли с почвой за весь цикл увлажнения и высыхания.
Впервые метод позволил численно измерить гистерезисное поведение структуры почвы. Оказалось, что масштаб необратимых изменений напрямую зависел от того, сколько в почве органического углерода, и как соотносятся глина и песок.
В сельском хозяйстве разработка поможет подбирать режимы полива, при которых почва остается плодородной. В строительстве — точнее оценивать устойчивость грунта и риски при возведении дорог, домов и газопроводов. Для экологов и служб мониторинга это инструмент ранней диагностики разрушений.
В конечном итоге специалисты планируют создать практические рекомендации. Они станут основой для новых стандартов оценки качества и устойчивости земель.