Исследование показало, что глубокая вспашка может нарушить пористую структуру почвы

На протяжении десятилетий фермеры и ученые спорили о простом, но крайне важном вопросе: лучше ли вспахивать поля перед посадкой или оставлять почву нетронутой? Теперь международная исследовательская группа под руководством Ши Цибиня из Института геологии и геофизики Китайской академии наук нашла ответ, «прислушиваясь» к земле.

Исследование, опубликованное в пятницу в журнале Science, показывает, что распространенные сельскохозяйственные практики — такие как глубокая вспашка и использование тяжелой техники — могут серьезно нарушить естественную губчатую структуру почвы, снижая ее способность помогать культурам противостоять как наводнениям, так и засухе.

В отличие от традиционных лабораторных исследований почвы, ученые из институтов Китая, США и Великобритании использовали новый подход. Они развернули волоконно-оптические кабели — те же самые, что используются в интернете — в качестве крупномасштабной сенсорной сети на экспериментальной ферме шириной 160 метров в Великобритании.

«Благодаря развитию волоконно-оптических технологий, посылая модулированные лазерные импульсы в оптическое волокно и анализируя возвращаемые сигналы, мы можем улавливать мельчайшие колебания в почве», — сказал Ши. Эта методика, заимствованная из сейсмологии, позволяет команде создавать поминутную картину движения воды в земле без проведения земляных работ, добавил он.

Результаты показывают, что здоровая почва обладает естественной внутренней «водопроводной» сетью микроскопических пор и каналов. Эти структуры позволяют воде проникать глубоко в землю, где она хранится для корней растений. Этот резервуар может поддерживать растения в засушливые периоды.

В отличие от этого, на полях, где часто проводится вспашка или интенсивное движение тракторов, эта сеть пор нарушается. В этом случае дождевая вода накапливается у поверхности, а не проникает глубоко. Эта неглубокая вода также быстро испаряется, оставляя более глубокие слои почвы сухими и ослабляя устойчивость растений к засухе.

Для объяснения своих наблюдений исследователи разработали модель «динамического капиллярного напряжения». Они оспорили традиционное представление о том, что прочность почвы зависит главным образом от общего содержания воды, подчеркнув вместо этого критическую роль пористой структуры.

В новой модели крошечные, похожие на капилляры поры образуют тонкие водные пленки. Поверхностное натяжение в этих пленках действует как крошечные резиновые ленты, которые укрепляют почву при частичном увлажнении. Эта связанная сеть пор позволяет воде проникать глубоко. Однако, когда эти поры сжимаются или разрушаются — например, тяжелой сельскохозяйственной техникой — измененная капиллярная структура может ускорить испарение воды.

«Почва — это не просто скопление частиц, а пористая среда, в которой структура функционирует как капиллярные сосуды, поддерживающие круговорот воды», — сказал Ши.

На основе полученных данных Ши подчеркнул важность пересмотра методов управления сельскохозяйственными землями. Хотя вспашка может разрыхлять почву и повышать урожайность в краткосрочной перспективе, она разрушает невидимые механические связи, которые позволяют почве дышать, циркулировать воду и поддерживать экологическую стабильность.

«Сохранение этих природных структур будет иметь решающее значение для адаптации сельскохозяйственных культур к все более экстремальным погодным условиям, вызванным изменением климата», — сказал он.

Ши также отметил низкую стоимость волоконно-оптических кабелей, подчеркнув потенциал для крупномасштабного высокоточного мониторинга фермерских хозяйств.

«Благодаря интеграции волоконно-оптических датчиков с искусственным интеллектом ученые и фермеры вскоре смогут диагностировать состояние сельскохозяйственных почв в режиме реального времени и разрабатывать более устойчивые стратегии для устойчивого производства продуктов питания, способствуя глобальной продовольственной безопасности», — сказал он.