Editors’ Vox — это блог отдела публикаций Американского геофизического союза (AGU).Здоровая почва жизненно важна для поддержания жизни на Земле. Она необходима для экосистем, сельскохозяйственного производства, очистки воды и даже помогает регулировать климат.В новой статье в журнале Reviews of Geophysics рассматриваются новейшие научные методы мониторинга состояния почвы, включая инновационные инструменты, такие как цифровые двойники и программы, использующие данные спутников. При этом подчёркиваются сохраняющиеся пробелы в увязке показателей с функциями почвы на разных уровнях. Здесь мы попросили авторов дать обзор темы.
Что такое здоровье почвы и чем оно отличается от качества почвы?
Здоровая почва — это процветающая экосистема: она питает растения, фильтрует воду, накапливает углерод и поддерживает червей, микробы и другие крошечные формы жизни.Подумайте о здоровье почвы как о способности почвы «оставаться живой» и выполнять свою работу. Здоровая почва — это процветающая экосистема: она питает растения, фильтрует воду, накапливает углерод и поддерживает червей, микробы и другие крошечные формы жизни. Качество почвы, с другой стороны, обычно относится к тому, насколько хороша почва для выращивания сельскохозяйственных культур. Здоровье почвы — это более широкая картина: оно касается поддержания жизнеспособности почвы не только для ферм, но и для природы и нашей планеты.
Почему здоровье почвы имеет значение?
Здоровая почва — это многофункциональная основа наземных экосистем. Она обеспечивает производство продуктов питания, питая сельскохозяйственные культуры, действует как естественный фильтр воды, удерживая загрязнители, и служит огромным поглотителем углерода, улавливая атмосферный CO₂ для смягчения изменения климата — процесс, который отслеживается на континентальном уровне в рамках инициатив ЕС, таких как LUCAS, отслеживающий углерод в почве с помощью спутниковых и полевых данных. Одновременно она является домом для разнообразных подземных сообществ, от бактерий до дождевых червей, которые способствуют круговороту питательных веществ и повышают устойчивость экосистемы к засухам, наводнениям и патогенам.
Как мы измеряем здоровье почвы?
Учёные оценивают три основные характеристики:* Физические свойства: структура (например, проникновение корней, удержание воды).* Химические свойства: доступность питательных веществ и баланс pH.* Биологические свойства: активность микроорганизмов и макрофауны (например, скорость разложения).Новые инструменты, такие как спутниковая спектральная съёмка и цифровые двойники на основе искусственного интеллекта, объединяют данные в масштабах ландшафта (например, эрозионные процессы, растительный покров), чтобы контекстуализировать полевые измерения. Однако сохраняются проблемы при масштабировании микроскопических процессов (например, круговорот питательных веществ) для прогнозирования результатов в масштабах ландшафта.
Почему почвенные микробы так важны?
Почвенные микробные сообщества (бактерии, грибы, археи) являются незаменимыми биогеохимическими агентами. Они разлагают органические вещества, перерабатывают питательные вещества и выделяют вещества, которые стабилизируют агрегаты почвы, уменьшая эрозию. Микробные сообщества также подавляют патогены растений и образуют симбиотические отношения с корнями, повышая устойчивость сельскохозяйственных культур. Их отсутствие приводит к деградации почвы, компрометируя биофизическую целостность и вызывая каскадное снижение функциональности экосистемы.
Как вода влияет на здоровье почвы?
Вода — это источник жизни для почвенных экосистем. Оптимальная влажность поддерживает гидратацию растений и активность микроорганизмов. Избыток воды, однако, вызывает гипоксию, нарушая дыхательные процессы корней и способствуя анаэробным процессам, таким как метаногенез. Продолжительная засуха дестабилизирует структуру почвы, увеличивая риски эрозии. Здоровая почва противодействует этим крайностям благодаря стабильным агрегатам и органическому веществу, действуя как губки для хранения воды во время засух и поглощения осадков во время наводнений.
Могут ли спутники действительно отслеживать состояние почвы?
Да. Программы, такие как LUCAS ЕС, объединяют спутниковые данные (например, многоспектральная съёмка Copernicus Sentinel-2 для определения органического углерода) с наземными обследованиями — более 100 000 образцов почвы, собранных в период с 2009 по 2022 год для физического, химического и биологического анализа. Этот гибридный подход позволяет выявлять деградированные зоны, оценивать усилия по восстановлению и масштабировать локализованные данные (например, круговорот питательных веществ) до ландшафтных процессов. Эти наборы данных также используются для создания цифровых двойников, позволяющих создавать прогнозные модели, которые служат основой для таких политик, как Закон ЕС о мониторинге почвы.
Что такое «цифровой двойник» для системы почва-растение?
Цифровой двойник — это динамическая модель в реальном времени, воспроизводящая взаимодействие почвы, растений и окружающей среды. Например, модель STEMMUS-SCOPE имитирует потоки воды, питательных веществ и энергии через почву и растения. Изначально разработанная для аэрокосмической отрасли, цифровые двойники теперь лежат в основе таких инициатив, как Destination Earth ЕС, которая моделирует экстремальные климатические явления. Недавние достижения в области искусственного интеллекта и спутниковых данных позволяют проводить моделирование состояния почвы в масштабах континента, оптимизируя управление земельными ресурсами.
Какие критические пробелы остаются в нашем понимании здоровья почвы?
Ключевые неизвестные включают обратные связи между структурой почвы и микробными сообществами, масштабирование микроскопических процессов (например, круговорот питательных веществ) до ландшафтов и прогнозирование воздействия климата на углерод в почве и микробные симбиозы. Практические препятствия включают разрозненные глобальные наборы данных, ограниченную интеграцию микробных характеристик в модели и экономически эффективные инструменты для фермеров. Коллаборативные платформы, такие как Европейская обсерватория почв, связывают исследования и политику, но сохраняются такие проблемы, как моделирование динамики корней, воды и питательных веществ в неоднородных почвах или объединение спутниковых и наземных данных. Для устранения этих пробелов требуются междисциплинарные инновации — срочная задача, поскольку сохранение здоровья почвы является не только экологическим императивом, но и краеугольным камнем будущего человечества.— Ийжиан Цзэн (y.zeng@utwente.nl, 0000-0002-2166-5314), Университет Твенте, Энсхеде, Нидерланды; и Боб Су (0000-0003-2096-1733), Университет Твенте, Энсхеде, НидерландыПримечание редактора: политика AGU Publications заключается в том, чтобы приглашать авторов статей, опубликованных в Reviews of Geophysics, написать краткое изложение для Eos Editors’ Vox.Цитирование: Zeng, Y., and B. Su (2025), Keeping soil healthy: why it matters and how science can help, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO255016. Опубликовано 29 мая 2025 года.