Table of Contents

Определение и компоненты состава почвы

Почва — это не просто грязь под нашими ногами — это динамичная, живая матрица, которая формируется на протяжении веков от выветривания исходного материала и накопления органических остатков. Композиция почвы относится к точным пропорциям четырех основных компонентов: минеральных частиц, органического вещества, воды и воздуха. Идеальная «здоровая» почва для большинства роста растений часто описывается как 45% минералов, 25% воды, 25% воздуха и 5% органического вещества. Но эти проценты широко варьируются в разных биомах, и даже небольшие сдвиги могут глубоко изменить функцию экосистем. Понимание роли каждого компонента показывает, почему состав почвы является основой земной жизни.

Минеральное фракционное деление: скелет почвы

Минералы происходят от физического и химического выветривания пород, таких как гранит, базальт, известняк и песчаник. Размер частиц - от гравия (> 2 мм) до песка (0,05-2 мм), ил (0,002-0,05 мм) и глина (<0,002 мм) - определяет текстуру почвы. Частицы песка обеспечивают аэрацию и быстрый дренаж, но низкую задержку питательных веществ. Частицы ила предлагают промежуточные характеристики. Частицы глины с их огромной площадью поверхности и отрицательным зарядом плотно удерживают воду и питательные вещества. Относительные пропорции песка, ила и глины определяют треугольник текстуры почвы, фундаментальный инструмент, используемый агрономами и экологами во всем мире. Например, суглинок - сбалансированная смесь всех трех - считается золотым стандартом для сельского хозяйства, потому что он оптимизирует инфильтрацию воды, хранение питательных веществ и проникновение корней.

Органическая материя: двигатель жизни

Органическое вещество включает разлагающийся растительный мусор, останки животных, микробную биомассу и гумус — стабильное, темно-коричневое вещество, которое остается после прогрессирующего разложения. Несмотря на то, что на него часто приходится менее 5% от общего веса почвы, органическое вещество оказывает непропорциональное влияние. Оно улучшает структуру почвы, связывая минеральные частицы в агрегаты, создавая поры, которые хранят воду и воздух. Он содержит до 90% емкости обмена катионов почвы (CEC), что означает, что он сохраняет положительно заряженные питательные вещества, такие как кальций, магний и калий, делая их доступными для корней растений. Кроме того, органическое вещество служит пищей для бактерий, грибов, простейших и дождевых червей, питая почву пищевая сеть. Почвы с более высокими уровнями органического вещества темнее, более хрупкими и более устойчивыми к эрозии и засухе.

Вода и воздух: динамика пор-пространства

Почвенные поры — пространства между твердыми частицами — заняты либо водой, либо воздухом. Вода удерживается при различных напряжениях: гравитационная вода быстро стекает, капиллярная вода содержится в микропорах и доступна растениям, а гигроскопическая вода настолько плотно связана с поверхностями частиц, что корни не могут ее извлечь. Почвенная вода — это не просто растворитель; она растворяет минералы, транспортирует питательные вещества на корневые поверхности и является средой, в которой происходят почти все почвенные биохимические реакции. Воздух, с другой стороны, поставляет кислород для корневого дыхания и аэробных микробов, которые разлагают органическое вещество и циклический азот. В заболоченных почвах воздух смещен, что приводит к анаэробным условиям, которые производят метан и другие парниковые газы. Баланс воды и воздуха, таким образом, является ключевым фактором, определяющим фертильность и обратную связь с климатом.

Как состав почвы формирует динамику экосистем

Экосистемы определяются потоками энергии и вещества, а почва является основным резервуаром и регулятором этих потоков.Состав почвы напрямую влияет на состав растительных сообществ, цикличность питательных веществ, доступность воды и разнообразие организмов, которые живут над и под землей.

Питательные циклы и продуктивность растений

Почва действует как естественный банк питательных веществ. Велосипедирование углерода, азота, фосфора и серы зависит от микробной активности, которая в значительной степени зависит от текстуры почвы, pH, содержания органических веществ и влаги. Например, минерализация азота - превращение органического азота в аммоний и нитрат - происходит быстрее всего в хорошо арахисовых, нейтральных почвах pH с достаточным количеством органического вещества. Песчаные почвы часто теряют азот путем выщелачивания, тогда как глинистые почвы могут фиксировать калий и аммоний, но могут сделать их менее доступными. Тип растительности, которая может процветать в данном месте, в значительной степени является прямым результатом способности почвы поставлять питательные вещества. В лесах на бедных питательными веществами почвах могут доминировать виды с медленным ростом и высоким соотношением корней к стрекоту, в то время как плодородные суглинки могут поддерживать пышные, быстрорастущие экосистемы.

Почвенная пищевая сеть и биоразнообразие

Почва является домом для удивительного разнообразия жизни: бактерии, археи, грибы, протисты, нематоды, клещи, спрингтейлы, дождевые черви и норы позвоночных. Каждая группа занимает трофический уровень в почвенной пищевой сети. Бактерии и грибы разлагают органическое вещество и потребляются простейшими и нематодами, которые, в свою очередь, потребляются хищниками. Эта сеть контролирует оборот органических веществ, высвобождение питательных веществ и подавление болезней. Например, микоризные грибы образуют симбиотические отношения с 80-90% наземных растений, расширяя корневые системы растений в обмен на углеводы. Обилие и разнообразие этих организмов зависят от состава почвы: пространство пор определяет среду обитания бактерий, органическое вещество обеспечивает энергию, а влага регулирует деятельность. Коллапс биоразнообразия почвы, часто вызванный перегоном, загрязнением или засолением, может разрушить всю экосистему.

Регулирование воды и гидрологическая динамика

Почвенный состав определяет, как вода движется по ландшафту. Песчаные почвы позволяют быстро проникать, но низкое водохранилище, что делает их склонными к засухе. Глинистые почвы обладают высокой водоудерживающей способностью, но медленной инфильтрацией, увеличивая стоки и эрозию во время сильных дождей. Суглиночные почвы предлагают лучший компромисс, смягчая поток и подпитывая грунтовые воды. В любой почве наличие стабильных агрегатов и органического вещества улучшает инфильтрацию и перколяцию. Эта способность буферизировать гидрологические крайности имеет решающее значение для экосистем нисходящего потока: леса на хорошо структурированных почвах могут захватывать и медленно высвобождать дождевую воду, поддерживая поток ручьев в сухие периоды и уменьшая пики наводнений во время штормов.

Роль почвы в регулировании климата

Почва является крупнейшим наземным резервуаром органического углерода, хранящим больше углерода, чем атмосфера и вся растительность вместе взятые. Сколько углерода удерживает почва - и накапливает ли она или выделяет углерод - зависит непосредственно от ее состава, особенно содержания органических веществ и минеральных ассоциаций.

Углеродная секвестрация и хранение

Углерод поступает в почву через растительный мусор, корневые экссудаты и микробные остатки. Он хранится в виде органического вещества, либо в виде света, твердых частиц, либо связан с глинистыми минералами и оксидами металлов (минерально-ассоциированным органическим веществом). Последний может сохраняться в почве в течение веков до тысячелетий, при условии, что структура почвы остается нетронутой. Практики, которые увеличивают поступления органических веществ и уменьшают нарушения, такие как возделывание без дождевого периода, покрытие и восстановление пастбищ, могут увеличить запасы углерода в почве. И наоборот, дренирование торфяников, интенсивная обработка почвы и эрозия могут высвобождать накопленный углерод в виде двуокиси углерода (]. Композиция почвы, таким образом, играет двойную роль: она контролирует как потенциал улавливания углерода, так и уязвимость существующих запасов к разложению, обусловленному климатом.

Выбросы парниковых газов из почв

Почвы также являются источником трех основных парниковых газов: двуокиси углерода (CO2), метана (CH4) и закиси азота (N2O). В то время как поток CO2 в значительной степени связан с темпами разложения, метан производится в заболоченных, анаэробных микросайтах, таких как богатые глиной почвы, которые остаются насыщенными. Закись азота, мощный газ с потенциалом глобального потепления почти в 300 раз больше, чем CO2, производится в основном во время денитрификации в почвах с высоким азотом и низким содержанием кислорода. Баланс между аэробными и анаэробными условиями - контролируемый текстурой почвы, органическим веществом и заполненным водой поровым пространством - определяет, какой газ доминирует. Улучшенный дренаж почвы, сокращение использования синтетического азота и добавление биоуголь может помочь смягчить эти выбросы () Специальный доклад МГЭИК об изменении климата и земле.

Альбедо и энергетический обмен

Менее обсуждается, но все еще важно, как состав почвы влияет на поверхностное альбедо - долю солнечного света, отраженного обратно в космос. Темные, богатые органическими веществами почвы поглощают больше солнечного излучения и теплее быстрее, в то время как светлые песчаные или богатые карбонатом кальция почвы отражают больше энергии. В сельскохозяйственных ландшафтах оставляя остатки культур на поверхности может увеличить альбедо и смягчить местное потепление. Аналогичным образом, содержание влаги в почве влияет на тепловую мощность и испарительное охлаждение; влажные почвы охлаждают поверхность испарением, обеспечивая буфер микроклимата для растений и животных.

Типы почв и их экологические последствия

Хотя текстура почвы является основным дескриптором, почвы также различаются по минералогии, глубине и развитию горизонта. Основные порядки почвы, такие как энтизолы, моллизолы, альфизолы, ультизолы, оксизолы, аридизолы и гистозоли, содержат различные композиции, которые формируют экосистемы на каждом континенте.

Песчаные почвы (Псалмы и аренозолы)

Обычные в прибрежных дюнах, пустынях и ледниковых равнинах, песчаные почвы имеют низкую водосодержащую способность и плохое удержание питательных веществ из-за их больших поровых пространств и низкой площади поверхности. Экосистемы, которые развиваются на них, такие как сосновые бесплодные, прибрежные кустарники и пустынные кустарники, обычно имеют редкую растительность с глубокими корнями или специализированными адаптациями. Проницательный песок позволяет быстро перезаряжать грунтовые воды, но также выщелачивает питательные вещества за пределами зоны выщелачивания. Сельское хозяйство на песчаной почве требует частого орошения и оплодотворения, часто приводя к выщелачиванию и загрязнению грунтовых вод.

Почвы с глиной (Вертизол и некоторые альфизолы)

В вертизолах преобладают отечные глиняные минералы. Они глубоко трескаются в сухие периоды и становятся липкими при влажности. Эти почвы поддерживают луга, саванны и некоторые сухие леса. Цикл усадки-набухания создает сложную среду для корней и норных животных, но также способствует уникальному микробному сообществу, адаптированному к экстремальным колебаниям влаги. Глиняные почвы могут хранить большое количество углерода, потому что минеральные поверхности защищают органическое вещество от микробной атаки. Однако они легко уплотняются, и тяжелая техника может разрушать поровое пространство, уменьшая аэрацию и инфильтрацию воды.

Loamy Soils (Моллисолс)

Моллизолы, найденные под самыми продуктивными лугопастбищами в мире — североамериканскими прериями, евразийскими степями и аргентинскими пампасами, характеризуются глубоким, темным горизонтом поверхности, богатым органическим веществом. Они естественно плодородны и имеют отличную структуру. Моллизолы поддерживают некоторые из самых высоких уровней надземного и подземельного биоразнообразия и являются основными почвами для глобального производства зерна. Их состав делает их устойчивыми к умеренным нарушениям, но уязвимыми для эрозии при выращивании на склонах.

Органические почвы (гистозолы)

Гистозоли, обычно называемые торфяными или грязевые почвы, образуются, когда органическое вещество накапливается в заболоченных условиях. Они состоят из более чем 20% органического углерода по весу и встречаются в болотах, фенах и болотах. Эти почвы являются критическими поглотителями углерода, сохраняя примерно 25-30% глобального почвенного углерода, несмотря на то, что покрывают только около 3% площади земли. Они поддерживают специализированную растительность, такую как мох сфагнума, осоки и черная ель. При сливе для сельского хозяйства или добычи они быстро разлагаются, выделяя огромное количество CO2 и способствуя оседаниям.

Деградация почв: угрозы для состава и устойчивости

Деятельность человека изменяет состав почвы быстрее, чем природные процессы могут ее восстановить. Деградированные почвы теряют способность поддерживать экосистемы и улавливать углерод, подрывая устойчивость к изменению климата.

Эрозия и потеря органической материи

Ветровая и водная эрозия преимущественно удаляют мелкие частицы и органические вещества с поверхности почвы. В глобальном масштабе ежегодно теряется около 24 миллиардов тонн плодородной почвы. Потеря верхнего слоя почвы снижает водоемкость, доступность питательных веществ и глубину корневой системы, часто вызывая нисходящую спираль более низкой производительности и дальнейшей эрозии. В крайних случаях следует опустынивание. Оценка экосистем тысячелетия определила деградацию почвы как основную угрозу экосистемным услугам (] Оценка экосистем тысячелетия].

Компактность и структурное снижение

Тяжелая техника, перевыпас и повторная обработка почвы сжимают поры почвы. Компакт уменьшает инфильтрацию, увеличивает стоки и ограничивает проникновение корней. В уплотненных почвах заполненная воздухом пористость опускается ниже 10%, заставляя корни в мелкие слои и делая растения более уязвимыми к засухе. Потеря макроагрегатов также уменьшает среду обитания более крупных почвенных организмов, таких как дождевые черви, которые необходимы для биотурбации и круговорота питательных веществ.

Засоление и подкисление

В засушливых и полузасушливых районах орошение без адекватного дренажа приводит к накоплению соли, образуя солевые почвы, токсичные для большинства растений. Соль разрушает структуру почвы, рассеивая частицы глины, создавая корки. Подкисление, часто вызванное азотными удобрениями или кислотными дождями, снижает рН и выделяет алюминий, токсичный для корней. И засоление, и подкисление может быть сложным и дорогостоящим для обращения вспять, и они часто заставляют отказаться от сельскохозяйственных угодий.

Повышение устойчивости к изменению климата посредством управления почвами

Восстановление и поддержание здорового состава почвы является одним из самых мощных инструментов для повышения устойчивости к изменению климата. Следующие методы поддерживаются десятилетиями исследований и наземных данных.

Регенеративное сельское хозяйство и бездонное сельское хозяйство

Системы без дождевого или пониженного дождевого остаточного слоя оставляют на поверхности почвы остатки сельскохозяйственных культур, минимизируя нарушения. Это защищает почвенные агрегаты, уменьшает эрозию и увеличивает проникновение воды. Со временем органическое вещество строит и восстанавливает полезные грибковые сети. Регенеративное сельское хозяйство расширяет этот принцип путем интеграции покровных культур, разнообразных ротаций и интеграции скота. Данные Института Родейла и других долгосрочных испытаний показывают, что регенеративные практики могут увеличить органический углерод почвы на 0,5-1 % в год во многих климатических условиях.

Покрытие и зеленые мануры

Покровные культуры, такие как рожь, клевер, ветч и гречка, обеспечивают непрерывный живой покров. Их корни стабилизируют почву и создают каналы для движения воды. Когда они прекращаются, они добавляют органическое вещество и азот. Покровное земледелие также подавляет сорняки и нарушает циклы вредителей. В кукурузно-соевых вращениях Служба охраны природных ресурсов США сообщает, что покрытие посевы значительно улучшает показатели здоровья почвы в течение двух-трех лет.

Биохар и органические поправки

Биоуголь производится пиролизом биомассы (например, древесной щепы или остатков сельскохозяйственных культур) в условиях с низким содержанием кислорода. При добавлении в почву пористая структура биохара увеличивает водоудерживающую способность, уменьшает выщелачивание питательных веществ и обеспечивает стабильную поглотитель углерода, который может длиться веками. Компост, навоз и другие органические поправки также непосредственно повышают органическое вещество. Однако качество и источник изменений имеют значение: сырой навоз может вводить патогены или соли, в то время как хорошо компостированный материал улучшает почву без риска.

Агролесоводство и силвопастбищный промысел

Интеграция деревьев в сельскохозяйственные ландшафты - через обрезку аллей, ветровые ветры или силупастуру - добавляет глубоко укоренившиеся многолетние растения, которые создают почву органического углерода на глубине, улучшают инфильтрацию и уменьшают эрозию. Деревья также затеняют почву, уменьшая экстремальные температуры и уменьшая испарение. В тропических регионах системы агролесоводства могут хранить больше углерода, чем монокультурные культуры и обеспечивают дополнительные продукты, такие как фрукты, древесина и корм.

Политика и ландшафтно-масштабное планирование

Индивидуальные действия имеют значение, но крупномасштабные изменения требуют поддерживающей политики. Глобальное почвенное партнерство ФАО обеспечивает техническое руководство для устойчивого управления почвами, в то время как программы, такие как Общая сельскохозяйственная политика Европейского союза, теперь связывают субсидии с практикой сохранения почв. Оплата схем экосистемных услуг, где фермерам компенсируется секвестрация углерода или улучшение качества воды, стимулируют принятие. Планирование землепользования, которое позволяет избежать преобразования высокоуглеродистых почв (таких как торфяники и нетронутые лесные почвы), имеет решающее значение для предотвращения выбросов в первую очередь.

Оригинальное название: The Path Forward

Состав почвы не является статическим свойством, а результатом взаимодействия между геологией, климатом, организмами и землепользованием. Он определяет плодородие, доступность воды и устойчивость к изменению климата каждой земной экосистемы. По мере усиления угроз изменения климата — с более частыми засухами, наводнениями и пожарами — роль почвы как буфера и хранилища углерода становится все более важной. Переход от добывающего к регенеративному землеустройству, основанный на почвоведении, предлагает один из самых эффективных путей стабилизации климата и поддержания биоразнообразия. Каждый акр деградировавшей почвы, каждая тонна органического углерода, который секвестрируется, и каждый фермер или землевладелец, который принимает методы почвостроения, способствует более устойчивой планете. Почва под нашими ногами не пассивна; она является активным партнером в климатической системе Земли, и наше будущее зависит от того, насколько хорошо мы заботимся о ней.