Современные агротехнические методы, предполагающие интенсивную механическую обработку почвы, могут нести в себе скрытые риски, делая сельскохозяйственные угодья более уязвимыми перед стихийными бедствиями. К такому выводу пришла группа исследователей, чья работа была опубликована 19 марта в журнале Science. Ученые установили, что глубокая вспашка с применением тяжелой техники нарушает естественные гидрологические пути в грунте, что в долгосрочной перспективе снижает устойчивость экосистемы как к наводнениям, так и к засухам.
Для детального изучения процессов инфильтрации воды была применена инновационная методика с использованием оптоволоконных кабелей. Эти устройства, известные своей ролью в телекоммуникациях, продемонстрировали высокую эффективность в качестве сверхчувствительных сейсмических датчиков, способных улавливать микроскопические вибрации, порождаемые движением влаги в почвенных слоях. Эксперимент проводился под руководством геофизика Цибиня Ши из Китайской академии наук в Пекине.
Полевой эксперимент на исследовательском полигоне
Практическая часть исследования была реализована на базе сельскохозяйственного исследовательского отделения Университета Харпера Адамса, расположенного в Ньюпорте, Англия. Ученые создали плотную сеть сейсмических датчиков, проложив оптоволоконные кабели вдоль границ 27 опытных участков. Эти участки были подготовлены с различной степенью обработки: треть земли осталась нетронутой, еще одна треть была вспахана на глубину 10 сантиметров, а оставшаяся часть подверглась глубокой вспашке на 25 сантиметров. Важным фактором также стало уплотнение почвы, которое варьировалось в зависимости от веса использованной сельскохозяйственной техники.
Волоконно-оптические кабели (в центре), проложенные по земле на территории сельскохозяйственных исследований, могут обнаруживать микроскопические сейсмические сигналы дождевой воды, движущейся через почву. Марин Денолл
Непрерывный сбор сейсмических данных осуществлялся в течение трех дней в марте 2023 года, что позволило зафиксировать реакцию почвы на выпавшие осадки. Анализ полученной информации выявил четкую закономерность: на участках с глубокой вспашкой и сильным уплотнением дождевая вода демонстрировала тенденцию к застою на поверхности, вместо того чтобы равномерно просачиваться вглубь. Более того, влага на таких участках значительно быстрее испарялась под воздействием солнечного света.
Контраст с нетронутыми или слабо обработанными участками был разительным. Чем меньше механическому воздействию подвергался грунт, тем эффективнее в нем функционировала естественная капиллярная сеть, обеспечивая стабильное распределение и удержание влаги. Это наблюдение ставит под сомнение целесообразность многовековой практики интенсивной вспашки, изначально предназначенной для регулирования влажности, аэрации и распределения питательных веществ. Полученные данные свидетельствуют о том, что подобное вмешательство может приносить больше вреда, чем пользы, разрушая тонкую подземную гидрологическую инфраструктуру.
м легче восстанавливалась вода.
Чтобы понять работу механизма, команда разработала компьютерную модель, использующую эти данные. Они обнаружили, что дождевая вода течет через пористую почву за счет динамического капиллярного давления. Поскольку крошечные дорожки между комочками на поверхности очень тонкие, как кровеносные сосуды, поток воды через них не обеспечивает достаточной силы тяжести. Вместо этого она движется за счёт капиллярного действия, двухтактного взаимодействия между сцеплением воды с частицами земли и сцеплением с другими молекулами воды. Когда пути нарушены или уплотнены, сила всасывания становится сильнее, затрудняется движение воды.
По словам команды, поставщики производителей предлагают оптоволоконные датчики и быстрый недорогой способ контроля влажности воздуха в больших масштабах. Такой мониторинг также может обеспечивать предупреждение в режиме реального времени о стихийных бедствиях, включая наводнения и разжижения, вызванные землетрясениями, когда насыщенная почва может внезапно стать нестабильной из-за сотрясений.