Ученые-почвоведы годами пытались точно измерить поток воды через почву. Даже мельчайшие детали почвы могут повлиять на путь воды из-за прямой последовательной линии, которую может потребовать только сила тяжести. Эти мельчайшие различия способствуют «предпочтительному течению» воды. Для сельскохозяйственных культур, зависящих от влаги, или для разливов химикатов, нуждающихся в локализации, предпочтительный сток может быть вопросом жизни или смерти.
«Вода обходит часть почвы … и приводит к более быстрому и большему потоку воды (в других областях), чем обычно можно было ожидать», — говорит Генри Линь.Линь — профессор кафедры экосистемных наук и менеджмента Университета штата Пенсильвания и ведущий исследователь недавнего исследования льготных потоков.
Линь отмечает, что этот поток воды через почву «контролирует различные физические, химические и биологические функции почвы». Это влияет на окружающую среду по-разному.На местном уровне предпочтительный поток влияет на то, сколько воды может накапливать почва, как почва удерживает питательные вещества и как агрохимикаты перемещаются через почву. Это также влияет на способность почвы фильтровать и стабильность ландшафта.
В этом небольшом масштабе пути включают корневые каналы, норы животных, трещины в сухой почве и промежутки между агрегатами почвы. В более крупном масштабе предпочтительный поток влияет на весь круговорот воды — непрерывное движение воды между океанами, воздухом и сушей.
Важное значение приобретают топография, растительность и другие сложности.Исследование Линя было направлено на решение некоторых технологических проблем, связанных с измерением льготного потока. В частности, в исследовании изучались методы масштабирования наблюдений от самой маленькой базовой единицы почвы до более крупного ландшафта. Линь говорит, что большинство предыдущих полевых исследований нарушили почву и дали разовые результаты.
Все более популярными становятся методы, не нарушающие почву. Эти методы дают общую картину, но могут упустить мелкие детали.
Группа Линя, опираясь на технологии, использовала новый подход к измерению предпочтительного стока в районе водосбора Шейл-Хиллз в центральной Пенсильвании. Исследователи установили датчики влажности почвы в разных местах, от поверхности до границы между почвой и коренной породой. Датчики соединяются в компьютерную сеть для периодических автоматических измерений.
Первоначальное исследование было посвящено данным о влажности почвы за 3 года и 175 выпадениям осадков. Настоящее исследование расширяет анализ до 412 событий за 6,5 лет. Это позволяет проводить более широкое сравнение сезонных данных. Он также включает 25 сайтов помимо 10 из первоначального исследования.
Лин обнаружил, что уникальные водные узоры зависят от мелких элементов. «Именно взаимодействие между формациями рельефа и типами почвы, в сочетании с исходной влажностью почвы и характеристиками осадков, определило возникновение и устойчивость преимущественного потока», — говорит Линь.Лин обнаружил «горячие точки» и «горячие моменты» в потоке воды. Например, сухие почвы к вершине склона и влажные почвы внизу показали более выраженное предпочтительное течение.
На южных склонах тоже было больше, чем на северных. Дно долины и валы около ручья также имели больше шансов на возникновение потока, чем середина склонов холмов. Интенсивные осадки также увеличили предпочтительный сток.
Сеть мониторинга почвы также выявила скрытую картину потока под поверхностью почвы. Лин описывает их как структурированные и динамичные. «Пути могут быть связаны через серию узлов в сети, которые могут включаться или выключаться, а также расширяться или сокращаться в зависимости от местных условий влажности почвы, количества осадков и активности растений», — говорит Линь. «Со временем эти сети могут самоорганизоваться, образуя таким образом стабильные во времени … пути».Лин описывает две области будущих исследований льготного потока.
Во-первых, по его словам, исследования должны «выходить за рамки классической физики малых масштабов» и обеспечивать значимый метод для увеличения масштабов мелкомасштабных наблюдений на больших территориях. Во-вторых, исследователи должны найти способы преодолеть проблемы, связанные с измерением и картированием предпочтительных потоков, как это происходит в ландшафте.Лин надеется, что исследователи всего мира будут использовать эти методы.
Это могло бы способствовать более широкому пониманию того, как вода течет через разнообразные ландшафты.