Table of Contents

Геологические основы североамериканских пастбищ

Североамериканские луга, простирающиеся от высокогорных прерий Среднего Запада до короткотравных степей Высоких равнин, опираются на сложную геологическую структуру, непосредственно формирующую их почвенные свойства и экологическую продуктивность.Эти ландшафты покрывают примерно 3,6 миллиона квадратных километров по всему континенту, включая Великие равнины, Центральную низменность и части межгорного Запада.Геология этих регионов преобладает осадочными отложениями, заложенными древними внутренними морями, за которыми следует обширная ледниковая активность в эпоху плейстоцена.

В основе породы лежат известняковые, сланцевые и песчаниковые образования, относящиеся к меловому и третичному периодам. Эти осадочные слои богаты карбонатом кальция и другими минералами, влияющими на химию почвы и плодородие. Например, образование Пьера Шале, лежащее в основе больших участков северных Великих равнин, выветривается в богатую глиной почву, которая очень плодородна, но склонна к уплотнению. Напротив, формация Огаллала, массивная система водоносных горизонтов песчаника, способствует хорошо дренированным песчаным почвам через южные Высокие равнины.

Ледниковая активность в течение последнего ледникового периода оставила глубокий отпечаток на геологии лугов. Лаврентийский ледяной щит продвинулся и отступил несколько раз, откладывая ледниковую дождевую кашу, вымывая равнины и отложения лосса через северные и центральные луга. Эти ледниковые материалы измельчали породу в мелкие частицы, создавая глубокие, богатые питательными веществами почвы, которые являются одними из самых продуктивных в мире. Лёссовые отложения области Палоуз и Небраска Сандхиллс являются яркими примерами ветровых отложений, которые были сформированы в отличительные формы рельефа на протяжении тысячелетий.

Почвенные заказы и их распределение

Моллизолы: почва для подписи пастбищ

Моллизолы являются доминирующим порядком почвы на североамериканских лугах, охватывающих обширные территории от южной Канады до центрального Техаса. Эти почвы характеризуются толстым, темным поверхностным горизонтом, известным как молличный эпипедон, который богат органическим веществом, накопленным за десятилетия разложения корня травы. Содержание органического углерода в моллизолах может превышать 3 процента по весу, что делает их одними из самых плодородных почв на Земле.

Образование моллизолов тесно связано с экосистемой пастбищ. Глубоководные многолетние травы, такие как большая синестема и муфта, вносят большое количество органического материала в профиль почвы. Холодные, влажные условия северных прерий медленно разлагаются, позволяя органическому веществу накапливаться. В центральных и южных равнинах более высокие температуры ускоряют разложение, но высокая выработка биомассы видов таллграсса все еще поддерживает значительные уровни органического вещества. Моллизолы в регионе Кукурузного пояса более века поддерживали интенсивное сельское хозяйство на рядовых культурах, хотя это произошло за счет значительной потери органического вещества.

Алфизолы и их роль в переходных зонах

Альфизолы встречаются в основном в переходных зонах между лугами и лесами, особенно на восточных окраинах Великих равнин и парков северных Соединенных Штатов и Канады.Эти почвы имеют более светлый поверхностный горизонт, чем моллизолы, с богатой глиной недрами, которая накапливается через иллювацию.Альфизолы умеренно плодородны и поддерживают смесь трав и разбросанных деревьев, включая дуб бура и осину.

Распределение альфизолов в луговых районах тесно связано с характером осадков. В районах, получающих более 75 сантиметров годовых осадков, выщелачивание карбоната кальция и накопление глины на горизонте В становятся заметными процессами. Эти почвы часто требуют внесения изменений в известь для оптимального растениеводства, но при правильном управлении они могут быть высокопродуктивными. Альфизолы границы прерий и лесов в Миннесоте и Айове были широко преобразованы в производство кукурузы и сои.

Аридисолы и сухие маржи

Аридисолы занимают западную и юго-западную окраины североамериканских лугов, где годовые осадки опускаются ниже 25 сантиметров.Эти почвы образуются в пустынной и полупустынной среде и характеризуются низким содержанием органических веществ, накоплением карбоната кальция и соляных корок в некоторых районах.Степь короткотравника восточного Колорадо, Нью-Мексико и Техасская Панхандл содержит обширные области аридисолов, часто связанные с сообществами шалфея и грамы.

Каличовые слои, или кальциевые горизонты, распространены в Аридисолах и могут образовывать твердые породы, ограничивающие проникновение корней и инфильтрацию воды. Эти слои развиваются в течение тысяч лет, когда карбонат кальция осаждается из почвенной воды в засушливой среде. Наличие калича создает значительные проблемы для сельского хозяйства и строительства, поскольку оно может ограничивать глубину укоренения культур и требует специального оборудования для обработки почвы.

Факторы, контролирующие качество и производительность почвы

Климат и градиенты осадков

Климат является основным фактором формирования почв на лугах, причем осадки оказывают сильнейшее влияние на накопление органических веществ, цикличность питательных веществ и выветривание минералов.Градиент осадков с востока на запад через Великие равнины, от более чем 100 сантиметров в год на востоке до менее чем 30 сантиметров на западе, создает соответствующий градиент свойств почвы.Содержание органических веществ обычно снижается с уменьшением осадков, как и доступность азота и фосфора.

Температура также играет решающую роль в развитии почвы. В северных лугах холодные зимы замедляют разложение и способствуют накоплению органического вещества, а жаркое лето южных равнин ускоряет микробную активность и оборот питательных веществ. Взаимодействие температуры и осадков создает различные почвенные регионы, такие как черноземные почвы канадских прерий и красноватые прерийские почвы Оклахомы и Техаса.

Растительность и динамика корней

Трава непосредственно формирует свойства почвы за счет роста корней, поступления мусора и циклизации питательных веществ. Глубокие, волокнистые корневые системы многолетних трав, которые могут простираться на два метра или более в профиль почвы, способствуют глубине органического вещества и создают каналы для инфильтрации воды. Эти корни также стабилизируют почвенные агрегаты, уменьшая эрозию и улучшая структуру почвы.

Состав растительных сообществ влияет на химию почвы. Легуминозные растения, такие как клевер прерий и свинцовая плантация, фиксируют атмосферный азот и увеличивают доступность почвенного азота. Прохладно-сезонные травы, включая западную пшеничную траву и иглу-и-нить, имеют различную корневую архитектуру и потребности в питательных веществах, чем тепло-сезонные травы, такие как маленькая синяя и индийская трава. Огнеприспособленные виды, такие как большая синяя ствол, быстро восстанавливаются после сжигания и способствуют быстрой переработке питательных веществ, хранящихся в наземной биомассе.

Пожарные режимы и питательный велосипед

Периодический пожар — естественный и существенный компонент экологии лугов, непосредственно влияющий на плодородие и состав почвы. Исторически молниеносные пожары и зажженные коренными народами пожары сжигались по прериям с интервалами от одного до пяти лет в зависимости от накопления топлива и климатических условий. Эти пожары потребляли мёртвый растительный материал, выделяли питательные вещества в форме золы и стимулировали новый рост из многолетних травяных почек.

Воздействие огня на почву сложное и варьируется по интенсивности, частоте и срокам пожаров. Пожары низкой интенсивности обычно вызывают минимальное нагревание почвы, оставляя органическое вещество почвы в значительной степени нетронутым при быстрой минерализации азота и фосфора. Со временем частые пожары могут приводить к потерям азота за счет улетучивания, хотя это часто компенсируется биологической фиксацией азота из бобовых и свободноживущих почвенных бактерий. Удаление сока огнем также нагревает поверхность почвы, продлевая вегетационный период и увеличивая микробную активность в прохладном климате.

Топография и развитие Catena

Положение рельефа и склона оказывает сильный контроль над свойствами почвы за счет их влияния на движение воды, эрозию и осаждение осадков. В перекатывающихся прерий грунты на возвышенностях имеют тенденцию быть тоньше и грубее текстурированы, а в низменных районах накапливаются мелкие частицы и органическое вещество из верхнего слоя источников. Этот рисунок, известный как катана, создает мозаику типов почвы по даже скромным топографическим градиентам.

Морские и дренажные пути в лугопастбищных ландшафтах часто содержат почвы с толстыми, темными горизонтами поверхности и высоким содержанием органических веществ, отражающие накопление воды и осадка. Эти районы особенно продуктивны как для местных трав, так и для сельскохозяйственных культур. Напротив, крутые склоны и выпуклые вершины хребта часто разрушают почвы с открытыми недрами или породами, ограничивая их продуктивность и требуя тщательного управления для предотвращения дальнейшей деградации.

Влияние человека на почву пастбищ

Преобразование в сельское хозяйство и органические потери

Преобразование местных лугов в пахотные земли, которое началось всерьез в середине девятнадцатого века, оказало глубокое и в значительной степени негативное влияние на свойства почвы. Тиллаж разрушает почвенные агрегаты, ускоряет разложение органических веществ и увеличивает скорость эрозии. Исследования, проведенные на Великих равнинах, зафиксировали потери органического углерода от 30 до 50 процентов в культивируемых моллизолах по сравнению с соседними местными прериями.

Преобразование пастбищ в сельское хозяйство также изменило структуру почвы, уменьшив совокупную стабильность и увеличивая объемную плотность. Эти изменения ухудшают проникновение воды, уменьшают проникновение корней и увеличивают поверхностный сток и эрозию. Пыльная чаша 1930-х годов является самым драматическим примером деградации пастбищных почв, когда засуха и плохая практика обработки почвы объединились, чтобы произвести катастрофическую эрозию ветра на миллионах гектаров южных Великих равнин.

Управление пастбищами и здоровье почвы

Выпас скота является наиболее распространенным землепользованием на оставшихся североамериканских лугах, влияя на свойства почвы посредством попирания, перераспределения питательных веществ и удаления растительности. Хорошо управляемый вращательный выпас может поддерживать или улучшать органическое вещество почвы путем включения навоза и стимуляции роста корней. Перевыпас, однако, уплотняет почву, уменьшает растительный покров и приводит к эрозии и истощению питательных веществ.

Степень воздействия пастбищ на почву зависит от скорости заготовки, сезона использования и типа почвы.Сэнди почвы особенно уязвимы к уплотнению и эрозии при интенсивном выпасе, в то время как богатые глиной моллизолы могут выдерживать умеренное выпасение без значительной деградации. Прибрежные участки в пастбищах особенно чувствительны к давлению выпаса, поскольку скот, как правило, концентрируется вблизи источников воды и может вызвать эрозию ручьев и загрузку питательных веществ.

Урбанизация и развитие инфраструктуры

Городская экспансия в лугопастбищные районы, особенно вокруг Денвера, Далласа-Форт-Уэрта и Канзас-Сити, привела к постоянной потере продуктивных сельскохозяйственных почв. Запечатывание почвенных поверхностей под тротуаром и зданиями полностью устраняет функции почвы, включая инфильтрацию воды, поглощение углерода и биологическую среду обитания. Развитие пригородов в прериях также фрагментирует оставшиеся лугопастбищные места обитания, уменьшая экологическую связь, необходимую для движения дикой природы.

Инфраструктурные проекты, такие как дороги, трубопроводы и ветровые энергетические установки, еще больше нарушают почву лугов, часто вызывая уплотнение и эрозию во время строительства. Хотя некоторые из этих воздействий могут быть смягчены путем тщательного планирования и практики восстановления, долгосрочные последствия для здоровья почвы остаются значительными. Расширение инфраструктуры возобновляемых источников энергии на почвах лугов представляет собой особенно сложный компромисс между климатическими целями и сохранением почвы.

Сохранение и восстановление почв пастбищных угодий

Практика сохранения почв

Системы выращивания без дождевых и мелководных культур получили широкое распространение на Великих равнинах, предлагая значительные преимущества для хранения органического вещества в почве и контроля эрозии. Эти методы оставляют остатки сельскохозяйственных культур на поверхности почвы, защищая ее от ветровой и водной эрозии при постепенном восстановлении уровней органического углерода. Покровные культуры, такие как озимая рожь и волосатая ветча, обеспечивают дополнительный почвенный покров и способствуют органическому веществу при включении или оставлении в качестве поверхностной мульчи.

Контурное земледелие, террасирование и травянистые водные пути являются устоявшейся практикой контроля водной эрозии на наклонных пахотных землях в луговых регионах. Эти структурные подходы замедляют сток, увеличивают инфильтрацию и ловушки осадка, прежде чем он покинет поле. Программа сохранения заповедника (CRP), управляемая Министерством сельского хозяйства США, вывела из производства миллионы гектаров сильно эродируемых пахотных земель и восстановила их в многолетнем травяном покрове, что привело к измеримым улучшениям в почве органического вещества и среды обитания диких животных.

Восстановление прерий и восстановление почв

Восстановление местной прерийной растительности на деградированных сельскохозяйственных землях стало важной стратегией восстановления почв. Восстановление глубоко укоренившихся многолетних трав может восстановить органическое вещество почвы со скоростью 0,5-1,0 метрических тонн на гектар в год на поверхности 30 сантиметров почвы. Эти достижения наиболее быстры в первое десятилетие после восстановления и продолжаются более медленными темпами в течение многих десятилетий.

Восстановление структуры почвы в восстановленных прериях одинаково важно. Популяции земляных червей, которые в значительной степени отсутствуют в обрабатываемых пахотных землях, возвращаются в течение пяти-десяти лет и начинают создавать макропоры, улучшающие инфильтрацию воды и аэрацию. Грибковые сообщества переходят от групп с преобладанием бактерий, типичных для сельскохозяйственных почв, к сетям с преобладанием грибов, характерным для местных лугов, усиливая цикличность питательных веществ и агрегацию почвы.

Роль секвестрации почвенного углерода

Почвы пастбищ имеют значительный потенциал для поглощения углерода, что делает их важным компонентом стратегий смягчения последствий изменения климата. Глубокие корневые системы многолетних трав хранят углерод значительно ниже слоя паха, где он менее уязвим для разложения, чем поверхностные органические вещества. Практика управления, которая увеличивает поступления углерода, такие как применение компоста, управляемый вращение выпаса и преобразование пахотных земель в многолетнюю растительность, может улучшить это хранение.

Однако секвестрация углерода в почве на лугах сталкивается с практическими ограничениями. Накопление органического вещества ограничено способностью почвы стабилизировать углерод путем агрегации и минеральной ассоциации. Как только эта точка насыщения будет достигнута, дополнительные поступления углерода не приведут к дальнейшему хранению. Исследования показывают, что многие деградировавшие лугопастбищные почвы еще не достигли этого предела, предлагая значительные возможности для сокращения выбросов углерода в ближайшие десятилетия.

Региональные вариации в геологии и почвах пастбищ

Прерия Таллграсс

Район прерий таллграсса, простирающийся от восточного Канзаса и Небраски через Айову и Иллинойс до полуострова прерий Индиана и Огайо, лежит в основе самых плодородных моллисолов в Северной Америке. Эти почвы развились из ледниковых долин и лёссовых отложений над известняком и сланцевой породой, создавая глубокие, хорошо дренированные профили с исключительным содержанием питательных веществ. Почвы региона являются одними из самых продуктивных в мире для производства кукурузы и сои, хотя их преобразование в сельское хозяйство было почти завершено.

Флинт-Хиллз восточного Канзаса, один из крупнейших оставшихся участков высокогорной прерии, приводит пример того, как геология ограничивает использование почвы. Мелкие, каменистые почвы, разработанные из чертеобразного известняка, сопротивлялись вспашке, сохраняя местный покров прерии, ограничивая сельскохозяйственную производительность. Экономика ранчо региона опирается на питательный корм, производимый видами высокогорных растений, растущих на этих тонких, хорошо дренированных почвах.

Смешанная травяная прерия

Прерия смешанных трав занимает широкий пояс из центральной Канады через Дакоту, Небраску и в северный Техас, где осадки от 35 до 65 сантиметров поддерживают смесь видов талых трав и короткотравых.Почвы в этом регионе включают как моллизолы, так и аридисолы, с содержанием органического вещества, промежуточного между влажными зонами высокогорных трав и засушливых короткотравных.Пьер-сланец и лежащие в его основе меловые образования способствуют тяжелому содержанию глины в этих почвах, которые могут быть трудно управляемыми, но очень плодородны при правильном обращении.

В прериях смешанного травоядного типа произошло широкое превращение в пшеницу и другие мелкие зерна, особенно в северной части региона. Практика летнего подвала, при которой земля остается голой в течение вегетационного периода для хранения влаги, исторически способствовала значительной потере органического вещества почвы и эрозии. Системы выращивания с пониженным содержанием постепенно заменяют традиционные вращение на основе подвала в этом регионе.

Степь Шортграсс

Степь короткотравника, протянувшаяся от восточного Колорадо и Вайоминга через западный Канзас, Небраску и Оклахомскую Панхандл в Техас и Нью-Мексико, является самым сухим лугопастбищным регионом на континенте. Доминируют аридизолы и энтизолы, с низким содержанием органических веществ и частыми калишными слоями. Содобразующие травы, такие как синяя грама и трава буйволов, производят неглубокие, плотные корневые системы, которые связывают поверхность почвы и сопротивляются эрозии.

Доступность воды является главным препятствием в этом регионе, и управление почвой исторически было сосредоточено на максимизации улавливания и хранения влаги. Водоносный горизонт Огаллала, который лежит в основе большей части степи короткотравника, поддерживал обширное ирригационное сельское хозяйство с середины двадцатого века, но снижение уровня воды вынуждает вернуться к системам производства засушливых земель. Охрана почвы и управление остатками сельскохозяйственных культур имеют важное значение для поддержания качества почвы в этих сложных условиях.

Прерия Палоуз

Район Палоуз в восточном Вашингтоне, северном Айдахо и северо-восточном Орегоне представляет собой уникальную лугопастбищную экосистему, развитую на глубоких лёссовых отложениях. Эти ветровые отложения накапливались в течение тысяч лет на глубинах, превышающих 50 метров в некоторых местах, создавая почвы с исключительной водосберегающей способностью и плодородием. Роллинг-Хиллз Палоуз являются одними из самых продуктивных регионов сухопутной пшеницы в мире.

Почвы Палоуза классифицируются как моллизолы и альфизолы, содержание органических веществ в горизонтах поверхности колеблется от 2 до 5 %. Средиземноморский климат региона с влажными зимами и сухим летом создает отчетливый режим влажности почвы, который бросает вызов традиционным системам обработки почвы. В последние десятилетия популярность получили системы без дождевых и прямых семян как средство контроля эрозии на крутых склонах, характерных для ландшафта Палоуза.

Заключение

Геология и состав почв североамериканских лугов отражают богатую историю тектонического подъема, оледенения, изменения климата и экологической последовательности. Моллизолы, определяющие эти ландшафты, являются одними из самых плодородных почв в мире, поддерживая как местное биоразнообразие, так и сельскохозяйственное производство в огромных масштабах. Понимание факторов, которые контролируют качество почвы на лугах, включая климат, растительность, огонь и управление землями, имеет важное значение для поддержания этих ресурсов перед лицом продолжающихся изменений окружающей среды.

Уроки, извлеченные из изучения почвенных лугов, выходят за пределы этих экосистем. Принципы накопления органических веществ, круговорота питательных веществ и формирования структуры почвы, которые действуют в прериях и степях, применимы к сельскохозяйственным системам во всем мире. По мере усиления опасений по поводу деградации почв, изменения климата и продовольственной безопасности знания, полученные в результате изучения почв лугов, предлагают практические пути к более устойчивому управлению земельными ресурсами. Сохранение и восстановление лугопастбищных почв должно оставаться приоритетом политики сохранения и сельскохозяйственной практики в предстоящие годы.