Ученые МФТИ совместно с коллегами из Почвенного института им. В.В. Докучаева РАН создали физико-математический метод анализа структуры почвы, который позволяет разработать детальную цифровую карту изменений ее 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. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда (№ 23-74-00061).
Почва — сложная экосистема, пронизанная сетью мельчайших пор. От них зависит, будет ли почва насыщаться воздухом, удерживать воду, накапливать минералы и будет ли она плодородной. Структура пор постоянно меняется под воздействием внешних факторов. Например, когда почва намокает и затем сохнет, поры расширяются и сжимаются, появляются новые трещины.
Долгое время ученые могли только приблизительно оценивать здоровье почвы по общей пористости или плотности, но этого недостаточно для полноты картины.
Ученые Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ разработали метод анализа трехмерных изображений почвы, который позволяет детально описать ее структуру и проследить, как она меняется на протяжении множества циклов намокания-высыхания.
«Сначала мы совмещаем трёхмерные снимки одного и того же образца, сделанные на разных этапах — 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. Поросетевые модели показывают, как разные участки почвы сообщаются друг с другом и насколько свободно могут перемещаться внутри почвы вода и питательные вещества. И, наконец, персистентная гомология описывает изменения формы и связности пор в цифровом виде. Важным аспектом нашей работы является адаптация сложных физико-математических концепций для решения конкретных задач. Исследование получилось при коллаборации физиков, математиков и почвоведов — Кирилла Толстыгина, Андрея Зубова, Марины Карсаниной, других членов нашего Центра вычислительной физики МФТИ и специалистов Почвенного института», — рассказал Кирилл Герке, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики ЛФИ МФТИ.
Массив чисел, полученный в результате анализа, учёные приводят к общему знаменателю, преобразуют в векторную систему и вычисляют расстояние между разными состояниями почвы. В итоге получается детальная карта образца, на которой видно, насколько сильные перемены произошли с почвой за весь цикл увлажнения и высыхания.
С помощью метода ученые изучили 150 трехмерных изображений пятнадцати образцов чернозема из трех разных по генезису типов почв. Образцы изучали с помощью рентгеновской микротомографии на протяжении всего цикла: от естественной влажности до полного насыщения водой и полного высыхания.
Впервые метод позволил численно измерить гистерезисное поведение структуры почвы — насколько сильно структура отличается от исходной после высыхания и намокания. Оказалось, 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.
Ученые планируют адаптировать метод для разных типов почв и масштабов: от микроструктуры до почвенных горизонтов. В конечном итоге они планируют создать для аграриев, строителей и экологов практические рекомендации. Они станут основой для новых стандартов оценки качества и устойчивости земель.
