Ученые МФТИ совместно с коллегами из Почвенного института имени Докучаева РАН разработали физико-математический метод анализа структуры почвы, с помощью которого можно создать подробную цифровую карту изменений е е структуры во время циклов намокания и высыхания. Это поможет спланировать безопасные режимы орошения сельскохозяйственных угодий, повысить урожайность и более точно рассчитывать риски обрушений при строительстве зданий, дорог и трубопроводов. Результаты исследования опубликованы в журнале Soil and Tillage Research.
Почва представляет собой сложную экосистему, внутри которой сформировалась разветвленная система микропор. От их состояния зависят такие важные свойства почвы, как насыщение воздухом, удержание влаги, накопление минералов и, конечно, её плодородие. Внешние факторы постоянно влияют на структуру пор, вызывая её изменения. К примеру, при увлажнении и последующем высыхании поры увеличиваются и уменьшаются в размере, а также образуются новые трещины.
Ранее исследователи определяли состояние почвы, опираясь на такие показатели, как общая пористость или плотность, однако этих данных было недостаточно для всесторонней оценки.
Специалисты из Центра вычислительной физики МФТИ создали способ обработки трёхмерных изображений грунта, благодаря которому можно подробно изучить его строение и отследить изменения, происходящие в нём в ходе многочисленных процессов увлажнения и высыхания.
«На первом этапе мы объединяем трёхмерные изображения одного и того же образца, полученные в ходе различных стадий : когда почва только с поля, когда она полностью напиталась водой и когда высохла. Мы сопоставляем их, чтобы фиксировать изменения одного и того же участка. Затем 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.
Модели пороситевых структур демонстрируют взаимосвязь между различными участками почвы и степень свободы, с которой вода и питательные вещества могут перемещаться в ней. Кроме того, персистентная гомология позволяет описывать изменения формы и связности пор в цифровом формате. Ключевым моментом данной работы стала адаптация сложных физико-математических концепций для решения конкретных задач. Исследование стало возможным благодаря сотрудничеству физиков, математиков и специалистов по почвам нашего Центра вычислительной физики МФТИ и специалистов Почвенного института», — комментирует Кирилл Герке, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.
После проведения анализа, полученный набор числовых данных приводится к единому масштабу, трансформируется в векторную систему координат, и затем рассчитывается расстояние между различными состояниями почвы. В конечном итоге формируется подробная карта образца, демонстрирующая степень изменений, произошедших с почвой в течение всего цикла увлажнения и высыхания.
Используя данный метод, исследователи проанализировали 150 трехмерных изображений пятнадцати образцов чернозёма, происходящих из трёх различных по происхождению типов почв. Сканирование с помощью рентгеновской микротомографии проводилось на протяжении всего цикла, охватывающего изменения влажности – от естественного состояния до полного насыщения водой и последующего высыхания.
Используя этот метод, удалось впервые количественно оценить гистерезис структуры почвы, то есть степень ее изменения после высыхания и насыщения влагой. Исследование показало, что объем необратимых трансформаций напрямую связан с содержанием органического углерода в почве и с пропорцией глинистых и песчаных частиц.
В агропромышленном комплексе разработанное решение позволит оптимизировать режимы орошения для поддержания плодородия почв. В сфере строительства оно поможет более точно определять устойчивость грунта и оценивать потенциальные риски при строительстве дорог, зданий и газопроводов. Для экологов и организаций, занимающихся мониторингом окружающей среды, это станет средством своевременного выявления признаков деградации.
Исследователи намереваются приспособить эту технологию к различным видам почв и разным масштабам, начиная от микроуровня и заканчивая почвенными слоями. В перспективе они рассчитывают разработать для фермеров, специалистов в области строительства и экологов полезные советы. Эти рекомендации послужат фундаментом для разработки новых стандартов, определяющих качество и устойчивость земель.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ