Вопрос о влиянии циклов промерзания-оттаивания на структурную организацию почв остаётся дискуссионным. В литературе встречаются противоречивые данные: от деструктивного воздействия и разрушения агрегатов до стабилизации или даже упорядочивания структурных элементов. В связи с этим актуальной задачей является получение достоверных количественных характеристик динамики почвенной структуры с применением современных методов анализа. Для анализа морфологических изменений использован метод корреляционных функций, позволяющий количественно оценить пространственную организацию структуры и порового пространства почвы. Для описания топологических преобразований применён метод поросетевых моделей. Дополнительно проведено сравнение полученных данных с результатами классических методов структурного анализа, что позволило выявить преимущества комплексного подхода. Исследование показало, что циклы промерзания-оттаивания вызывают как морфологические, так и топологические изменения почвенной структуры. Установлено, что в процессе многократных циклов наблюдается не только деградация отдельных агрегатов, но и закономерная перестройка порового пространства, проявляющаяся в изменении его связности и анизотропии. На основании полученных данных выдвинута гипотеза о периодичности структурных преобразований, предполагающая наличие повторяющихся стадий дестабилизации и частичной реорганизации структуры. Это позволяет рассматривать почву как динамическую систему, адаптирующуюся к внешним климатическим воздействиям. Полученные результаты уточняют представления о механизмах структурных изменений почв в условиях промерзания-оттаивания и создают основу для прогноза их устойчивости в контексте климатических колебаний.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-74-00061 "Исследование структуры почв и распределения химических элементов на наномасштабе с помощью технологии FIB-SEM: от наноструктуры к почвенным функциям".

Классические подходы к описанию гидрофизических свойств почвы (в частности, уравнение ван Генухтена и ван Генухтена-Муалема) в последние годы подвергаются критике в связи с их недостатками. В связи с этим возрастает интерес к альтернативным методам моделирования, учитывающим динамику структуры почв почвы. Одним из таких инструментов являются поросетевые модели, получаемые из 3D-изображений компьютерной томографии почв. В работе проведено сравнение классических гидрофизических подходов и поросетевых моделей на примере гумусовых и минеральных горизонтов миграционно-мицеллярного чернозёма. Результаты показали, что поросетевые модели хорошо воспроизводят основную гидрофизическую характеристику в области средних давлений, однако показывают дивергенцию в областях низких и высоких давлений. При этом моделирование влагопроводности и фильтрации в общем сходятся: поросетевые модели воспроизводят общие тенденции изменения влагопроводности при переходе от насыщенного к ненасыщенному состоянию и обеспечивают сопоставимость с лабораторными данными. Таким образом, поросетевые модели могут рассматриваться как перспективный инструмент для описания гидрофизических свойств почв, особенно с учетом динамики структуры и порового пространства. При этом они демонстрируют ограниченную точность в крайних областях основной гидрофизической характеристик, что может быть исправлено более детальной съемкой исходных образцов или применением методов машинного обучения. В целом, для задач, связанных с фильтрацией и оценкой влагопроводности, поросетевые модели могут служить адекватной альтернативой классическим уравнениям, а их дальнейшее развитие открывает возможности для более точного и структурно обоснованного описания водного режима почв.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-15-2024-545 от 24 апреля 2024 года)