Моделирование оврагов помогает географам найти способы борьбы с эрозией почв

Ежегодно в мире теряется 24 миллиарда тонн почвы из-за эрозии, что обходится в 40 миллиардов долларов и приводит к образованию мертвых зон в водоемах, ускоренной потере пахотных земель и масштабному голоду. Прогнозирование очагов эрозии для её предотвращения остается сложной задачей. Географ Шон Беннетт из Университета Буффало моделирует этот процесс с помощью различных установок — от «песочниц» с имитацией дождя до высокотехнологичных лотков с рециркуляцией потока и применением PIV (Particle Image Velocimetry) для изучения взаимодействия воды и частиц песка.

Исследования носят как прикладной характер, помогая фермерам предотвращать эрозию, так и фундаментальный, углубляя понимание эволюции планетарных поверхностей. Ученые сосредоточены на изучении промоин и оврагов — основных каналов эрозии на сельхозугодьях и главного источника потери почвы. Они же являются основной причиной избытка наносов и питательных веществ (азота и фосфора) в водных путях, что ведет к эвтрофикации, дефициту кислорода и появлению «мертвых зон», например, в Мексиканском заливе.

Ранее Беннетт показал, что вспашка полей для сглаживания промоин и оврагов, наоборот, ускоряет эрозию в долгосрочной перспективе. «Наша численная модель показала, что можно сократить потери почвы на 400%, если перейти на no-till (технологию нулевой обработки почвы)», — говорит ученый. Лабораторные эксперименты подтвердили, что промоины, достигнув максимума развития, перестают производить много наносов.

Для моделирования формирования промоин и оврагов была построена эрозионная установка с дождеванием: лотк размером 30 на 8 футов, заполненный 8 тоннами почвы. Цифровые камеры фиксировали изменения рельефа с точностью до миллиметра, создавая цифровые модели рельефа. Снимки показали, в какой момент дождя и стока возникают «headcuts» — области интенсивной локальной эрозии, которые начинают прорезать глубокие каналы. «Если мы сможем предсказывать, где и когда возникают эти «headcuts», и разработать технологии для их контроля, мы сможем значительно улучшить управление почвенными ресурсами», — отмечает Беннетт. К таким технологиям относятся отводы стока, травяные барьеры и засеянные растительностью водотоки.

Изображения также наглядно продемонстрировали фрактальные узоры, которые имитированный ливень создавал на ландшафте. Для изучения процессов переноса наносов в реках и взаимодействия частиц с турбулентным потоком был сконструирован лотк длиной 30 футов. В экспериментах при достижении потоком определенной скорости вся поверхность дна покрывается рябью, образующейся из-за нестабильности между быстрым потоком и медленно движущимися наносами. PIV-система позволяет получать высококачественные данные прямо у поверхности дна во время формирования этих микроформ, что способствует созданию улучшенных моделей для управления речными системами и водной экологией.

В дальнейшем Беннетт планирует использовать лотки для изучения взаимодействия растительности с функцией и формой рек, что критически важно для восстановления деградировавших водотоков. Эти исследования являются частью программы «Восстановление экосистем через междисциплинарный обмен», финансируемой NSF (Национальным научным фондом США).