Учёные выяснили, что пополнение запасов подземных вод под сельскохозяйственными угодьями в умеренном климате происходит за счёт осадков всего одной-двух недель от силы, в то время как вода, поглощаемая растениями, поступает из более старых источников.
Это открытие, [опубликованное](https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024WR038869) в журнале Water Resources Research, опровергает традиционные модели движения воды в подземных слоях и предполагает, что наши представления о том, как удобрения, питательные вещества и влага перемещаются в почве, возможно, нуждаются в пересмотре.
Исследователи из Университета Коннектикута под руководством доктора философии Джошуа Снарски и их коллеги изучили возраст воды, которая поступает в систему подземных вод под сельскохозяйственным водосбором Хорсбарн-Хилл в период вегетации.
Исследование основывалось на уровне влажности почвы и изотопном составе подземных вод; последний используется для датировки, поскольку молекулы воды, содержащие кислород-18 (более тяжёлая форма кислорода), испаряются и перемещаются по водному циклу медленнее, чем молекулы с кислородом-16, что позволяет учёным отследить, как долго вода находилась под землёй.
Команда обнаружила, что осадки, выпадающие в период вегетации, могут просачиваться через зону аэрации (ненасыщенный слой почвы и горных пород над уровнем грунтовых вод, где в порах присутствуют и воздух, и вода) и пополнять водоносный горизонт за считанные дни или недели.
В исследовании отмечается, что эта молодая вода минует почву или быстро движется через неё, попадая в более глубокие запасы подземных вод быстрее, чем обычно предполагалось.
Это интересный результат, учитывая, что гидрологические модели обычно предполагают, что пути пополнения относительно медленные, а осадки постепенно просачиваются через слои почвы, смешиваясь со старой водой, а затем, в конечном итоге, достигают водоносного горизонта в течение месяцев или лет. Но это исследование показывает, что в условиях умеренного климата значительная часть пополнения на самом деле является очень молодой.
Авторы предполагают, что такие механизмы, как предпочтительный поток — когда вода движется по быстрым путям, таким как трещины, макропоры или корневые каналы, — могут позволить дождю миновать большую часть почвенной матрицы и быстро достичь подземных вод.
В отличие от молодой воды, достигающей водоносного горизонта, вода, доступная для растений через их корни, поступает из более старых запасов воды в почве и содержит питательные вещества, которые находились в почве дольше. Следовательно, исследование подчёркивает дихотомию: быстрое пополнение подземных вод за счёт свежих осадков и более медленное поглощение растениями из старых запасов воды в почве.
Это важно, поскольку предполагает, что сроки и пути движения воды под сельскохозяйственными угодьями более сложны, чем предполагают многие гидрологические и сельскохозяйственные модели, особенно когда речь идёт о движении питательных веществ, использовании удобрений и риске загрязнения подземных вод.
Для управления удобрениями это имеет большое значение, поскольку, если осадки быстро пополняют водоносные горизонты, то удобрения, внесённые на сельскохозяйственные угодья, также могут быстрее вымываться в более глубокие подземные воды, чем ожидалось, особенно если они были внесены незадолго до сильных дождей.
И наоборот, тот факт, что растения полагаются на старую воду в почве, подчёркивает, что доступность влаги в корневой зоне не всегда может совпадать с самыми свежими дождями. Поэтому фермерам и управляющим водными ресурсами, возможно, необходимо учитывать как быстро движущиеся потоки пополнения, так и более медленные пути движения почвенной влаги, которые поддерживают посевы.
Кроме того, существует критический баланс для роста растительности; более длительное время пребывания воды и питательных веществ в зоне укоренения может поддерживать рост растений, тогда как вода и питательные вещества, быстро транспортируемые за пределы зоны укоренения, могут снижать продуктивность растений и способствовать прямому загрязнению подземных вод, развитию эвтрофных условий в поверхностных водах (приводящих к чрезмерному росту водорослей, истощающих кислород в воде и наносящих вред водным организмам) и загрязнению питьевой воды.
Исследование также подчёркивает важность зоны аэрации между поверхностью почвы и подземными водами. Различия в текстуре почвы, трещинах и корневых каналах могут создавать быстротекущие пути, по которым вода и питательные вещества могут неравномерно перемещаться по земле. Модели, которые рассматривают этот слой как однородную губку, могут не учитывать эти сложности реального мира.
Хотя исследование было сосредоточено на одном сельскохозяйственном водосборе в умеренном климате, результаты могут иметь более широкое значение, поскольку многие сельскохозяйственные угодья в аналогичных климатических условиях могут демонстрировать такое же расходящееся поведение в путях движения воды.
Поскольку изменение климата меняет характер осадков, делая интенсивные штормы более распространёнными или изменяя сезонное распределение, риск быстрого пополнения подземных вод (и, возможно, переноса загрязняющих веществ) может увеличиться. Это понимание имеет решающее значение для устойчивости продовольственного снабжения, поскольку оно влияет на то, насколько надёжно сельскохозяйственные культуры могут получать доступ к воде и питательным веществам, а также насколько устойчивы сельскохозяйственные системы к изменению характера осадков.
Исследователи призывают к более реалистичному представлению потоков воды в зоне аэрации в моделях, особенно тех, которые используются для сельскохозяйственного планирования, управления подземными водами и прогнозирования выщелачивания питательных веществ.
Улучшение нашего понимания того, как быстрые потоки (через макропоры или предпочтительные пути) смешиваются с более медленными потоками (через почвенную матрицу), может улучшить прогнозы уязвимости подземных вод, переноса питательных веществ и водоснабжения сельскохозяйственных культур.
Эти результаты предлагают больше, чем просто новое понимание воды под сельскохозяйственными угодьями — они указывают на возможности для более разумного и устойчивого сельского хозяйства. Признавая отдельные пути молодой и старой воды, фермеры и управляющие водными ресурсами могут лучше согласовать орошение, использование удобрений и планирование посевов с естественным потоком воды под землёй.
Эти знания могут помочь обеспечить более надёжное снабжение водой и питательными веществами для сельскохозяйственных культур, сохранить ресурсы подземных вод и укрепить устойчивость сельскохозяйственных угодий к изменению характера осадков, предлагая обнадеживающий путь для устойчивого производства продуктов питания в будущем.
© 2025 Science X Network
More from [Earth Sciences](https://www.physicsforums.com/forums/earth-sciences.84/)