Table of Contents

Определение состава почвы

Почва не просто грязь под нашими ногами; это динамичная, живая система, которая формирует основу земной жизни. Состав почвы - относительные пропорции ее минеральных, органических, водных и газообразных компонентов - непосредственно определяет ее способность поддерживать рост растений, регулировать поток воды, цикл питательных веществ и поддерживать биоразнообразие. Тщательное понимание состава почвы имеет основополагающее значение для решения насущных экологических проблем, таких как продовольственная безопасность, очистка воды и смягчение последствий изменения климата. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (FLT: 0) ФАО считает здоровую почву критическим ресурсом для достижения целей устойчивого развития, но деградация почвы продолжает ускоряться во всем мире. Признание сложного баланса компонентов почвы позволяет землеустроителям, политикам и сообществам применять методы, которые сохраняют этот важный ресурс.

Четыре основных компонента почвы

Почва состоит из четырех первичных фаз: минеральных частиц, органического вещества, воды и воздуха.Каждый компонент выполняет различные функции, а их равновесие определяет здоровье почвы.

Минеральное фракционное деление

Минеральный компонент, полученный из выветривания горных пород, обычно составляет около 45-50% объема почвы. Распределение размеров частиц (песок, ил и глина) определяет текстуру почвы, влияя на пористость, дренаж и удержание питательных веществ. Песчаные почвы быстро сливаются, но содержат мало питательных веществ; глинистые почвы сохраняют как воду, так и питательные вещества, но могут стать заболоченными; суглинистые почвы наносят сбалансированный урон. Министерство сельского хозяйства США (] NRCS) предоставляет подробные системы классификации, которые помогают фермерам и экологам интерпретировать эти текстуры для практического управления.

Органическая материя

Органическое вещество почвы (SOM) включает в себя живые организмы, разложившиеся остатки (гумус) и стабильные органические соединения. Хотя SOM часто составляет всего 1-6% почвы по весу, это непропорционально важно. Он улучшает структуру почвы, повышает водосберегающую способность, поставляет питательные вещества посредством минерализации и служит основным углеродным резервуаром. Глобальный углеродный бассейн почвы примерно в три раза больше, чем атмосферный углеродный бассейн, что делает управление почвой ключевым рычагом в стратегиях изменения климата. Практики, которые строят органическое вещество, такие как добавление компоста или сохранение остатков сельскохозяйственных культур, могут улавливать атмосферный углекислый газ при одновременном повышении плодородия.

Почвенная вода

Вода занимает поровые пространства между частицами почвы и имеет важное значение для биологических и химических реакций. Содержание воды, выраженное в виде объемного содержания воды или матричного потенциала, определяет, сколько влаги доступно растениям и насколько эффективно перемещаются растворители. Почва с хорошей структурой удерживает воду в макропорах (дренаж) и микропорах (вода, доступная для растений). Понимание баланса между гравитационной водой (которая стекает) и капиллярной водой (держащейся против гравитации) имеет решающее значение для планирования орошения и предотвращения заболачивания или засухи.

Почвенный воздух

Воздух заполняет поровые пространства, не занятые водой. Адекватная аэрация поставляет кислород корням растений и аэробным микроорганизмам, позволяя углекислоте вырваться. Компактные почвы сократили воздушное пространство, что привело к анаэробным условиям, которые тормозят рост корней и способствуют вредной денитрификации. Состав почвенного воздуха отличается от атмосферного воздуха, как правило, содержащего более высокие концентрации CO2 из-за дыхания. Управление пористостью почвы за счет снижения обработки почвы и органических поправок помогает поддерживать здоровый газообмен.

Почему состав почвы влияет на здоровье окружающей среды

Относительные пропорции этих четырех компонентов регулируют широкий спектр экологических функций. Изменения в составе почвы рябят через экосистемы, затрагивая все, от урожайности до качества воды.

Питательные циклы и продуктивность растений

Почвенный состав непосредственно регулирует доступность питательных веществ. Минеральные частицы выделяют через выветривание такие важные элементы, как кальций, магний и калий, в то время как органическое вещество поставляет азот, фосфор и сера по мере разложения. Способность катионного обмена (CEC) глины и органических коллоидов сохраняет положительно заряженные питательные вещества, предотвращая их вымывание из корневой зоны. Недостаток почвы в любом из этих компонентов будет бороться за поддержку энергичного роста растений, что приведет к сокращению сельскохозяйственного производства и большей зависимости от синтетических удобрений.

Инфильтрация и удержание воды

Почвы с высоким содержанием органического вещества и хорошей структурой действуют как губка, захватывая осадки и медленно высвобождая их в ручьи, грунтовые воды и растения. Это уменьшает поверхностный стоок, смягчает наводнения и поддерживает базовый поток в реках в сухие периоды. И наоборот, деградированные почвы - с низким уровнем органического углерода и уплотненными слоями - демонстрируют высокий стоок, вызывая эрозию и перенося осадки и питательные вещества в водные пути. Способность почвы удерживать воду также влияет на засухоустойчивость; фермы на здоровых почвах требуют меньше орошения и более продуктивны во время сухих периодов.

Поддержка биоразнообразия

Почва является самой биоразнообразной средой обитания на Земле, в ней содержатся миллиарды микроорганизмов, нематод, дождевых червей, насекомых и корней растений в одном грамме. Каждый компонент состава почвы формирует это сообщество. Органическое вещество обеспечивает энергию для разлагающихся организмов; поровое пространство создает микрорайоны для организмов разных размеров; влага и аэрация определяют, какие виды процветают. Потеря структуры почвы или загрязнение снижает биоразнообразие, что, в свою очередь, ухудшает экосистемные услуги, такие как разложение мусора, подавление вредителей и циклическое питание.

Фильтрация и деградация загрязнителей

Почва действует как естественный фильтр и биореактор. По мере того, как вода просачивается через профиль почвы, физическое деформирование удаляет загрязняющие частицы, химическая сорбция связывает тяжелые металлы и пестициды, а микробная активность деградирует органические загрязнители. Эффективность этой фильтрации зависит от текстуры почвы, содержания органических веществ и здоровья микробного сообщества. Песчаные почвы с низким содержанием органических веществ имеют ограниченную сорбционную способность и более склонны к загрязнению грунтовых вод, в то время как богатые глиной, органически богатые почвы могут обездвижить многие загрязняющие вещества, хотя они также могут накапливать их с течением времени.

Состав почвы в сельском хозяйстве

Сельское хозяйство является наиболее непосредственным взаимодействием человека с составом почвы. Для достижения устойчивого растениеводства необходимо управлять тремя ключевыми факторами: рН, текстурой и органическим веществом.

pH почвы и доступность питательных веществ

РН почвы влияет на растворимость минеральных питательных веществ и активность почвенных организмов. Большинство культур предпочитают диапазон рН 6,0-7,0; ниже 5,5 алюминий и марганец могут стать токсичными, в то время как фосфор, азот и калий становятся менее доступными. Лиминг кислых почв повышает рН и разблокирует питательные вещества, но чрезмерное наложение может вызвать дефицит микроэлементов, таких как железо и цинк. Точный контроль рН через тестирование почвы является краеугольным камнем современной агрономии, позволяя целенаправленные поправки, которые оптимизируют производительность сельскохозяйственных культур без расточительных входов.

Текстура почвы и управление водными ресурсами

Текстура — соотношение песка, ила и глины — определяет водонепроницаемость, скорость инфильтрации и работоспособность. Песчаные почвы требуют частых, небольших применений для орошения; глинистые почвы могут орошаться реже, но с большим объемом. Текстура почвы также влияет на обработку почвы: глинистые почвы должны обрабатываться с правильным содержанием влаги, чтобы избежать уплотнения. Многие производители используют данные текстуры для выбора подходящих культур: корнеплоды предпочитают рыхлые песчаные сугли, в то время как пшеница и рис лучше работают на более тяжелых почвах.

Создание органического вещества

Увеличение органического вещества почвы является единственной наиболее эффективной стратегией улучшения состава сельскохозяйственных почв. Каждое увеличение SOM на 1% может увеличить водосберегающие мощности примерно на 1,5-2% объема почвы. Такие практики, как возделывание без дождевого покрытия, покрытие, зеленое навоз и применение компоста или навоза животных, неуклонно повышают уровень органического углерода. Эти практики также снижают потребность в синтетических входах, снижают темпы эрозии и способствуют долгосрочной фертильности. Согласно EPA , содействие здоровью почвы в сельскохозяйственных ландшафтах дает существенные экологические сопутствующие выгоды, включая сокращение выбросов парниковых газов и улучшение качества воды.

Влияние состава почвы на качество воды

Качество воды и состав почвы тесно связаны. Те же процессы, которые делают почву плодородной, также защищают поверхностные воды и водоносные горизонты от загрязнения.

Физическая фильтрация и контроль осадков

Почва действует как физический фильтр, задерживая взвешенные частицы, когда вода движется вниз. Хорошо агрегированные почвы со стабильными макроагрегатами позволяют воде просачиваться при отложении осадка в верхнем профиле. Напротив, эродированные почвы теряют эту фильтрующую способность, отправляя осадочные нагрузки в ручьи, где они могут душить водные среды обитания и переносить адсорбированный фосфор. Поддержание хорошей структуры почвы через постоянную растительность и снижение возмущения имеет решающее значение для удержания осадка.

Биохимическое разложение загрязняющих веществ

Почвенные микроорганизмы и ферменты превращают многие загрязнители в менее вредные формы. Пестициды, ветеринарные антибиотики и промышленные химические вещества могут быть деградированы микробами, если почва обеспечивает благоприятную среду - адекватную влагу, кислород, органический углерод и нейтральный рН. Почвы с высоким микробным разнообразием более устойчивы к загрязнениям и могут восстанавливаться быстрее. Однако почвы с низким содержанием органического вещества или тяжелых металлов могут иметь нарушенные возможности деградации, увеличивая риск того, что загрязнители достигают подземных вод.

Погрузка питательных веществ и эвтрофикация

Избыток азота и фосфора из сельскохозяйственных удобрений часто выщелачивается или стекает в водоемы, вызывая цветение водорослей и гипоксию. Состав почвы влияет на то, сколько этих питательных веществ сохраняется по сравнению с потерянными. Например, почвы с высоким содержанием глины и органических веществ обладают сильной способностью сорбировать аммоний и фосфат, в то время как песчаные почвы легко теряют их. Покровные культуры и уменьшенная обработка почвы помогают сохранить питательные вещества в профиле почвы, снижая риск эвтрофикации. Программа Агентства по охране окружающей среды признает управление почвой в качестве основного инструмента для снижения нагрузки на питательные вещества в озерах и прибрежных зонах.

Деградация почв: угроза для здоровья окружающей среды

Деятельность человека — интенсивное сельское хозяйство, обезлесение, урбанизация и промышленное загрязнение — быстро ухудшает состав почв во всем мире.

Потеря плодородия и урожайности культур

По мере того, как органическое вещество уменьшается и питательные вещества добываются, плодородие почвы разрушается. По глобальным оценкам, одна треть земли умеренно сильно деградирует из-за эрозии, засоления или истощения питательных веществ. Фермеры реагируют, применяя больше синтетических удобрений, которые могут еще больше ухудшить биологию почвы и подкислить почву. Этот порочный круг угрожает продовольственной безопасности, особенно в тропических регионах, где почвы естественным образом ниже в органическом веществе и катионах оснований.

Ускоренная эрозия

Эрозия ветром и водой удаляет богатый питательными веществами верхний слой почвы, оставляя после себя недра, которые менее продуктивны и менее проницаемы. Скорость эрозии на традиционно обрабатываемых сельскохозяйственных угодьях может превышать 10 тонн на гектар в год - намного выше естественной скорости формирования почвы 1 тонна на гектар в год. Потеря верхнего слоя почвы также снижает водоемкость, увеличивая стоки и наводнения. Осадок из эродированных полей заполняет резервуары, ухудшает качество воды и душит коралловые рифы.

Химическое загрязнение и подкисление почвы

Промышленные выбросы, кислотные дожди и чрезмерное использование азотных удобрений подкисляют почвы, выщелачивая кальций, магний и калий. Кислые почвы выделяют токсичный алюминий и марганец, препятствуя росту корней. Тяжелые металлы, такие как кадмий, свинец и ртуть, накапливаются в почвах при добыче, плавлении и осадке сточных вод, попадая в пищевую цепь и создавая риски для здоровья человека. Рекультивация загрязненных почв дорогостоящая и часто только частично эффективна; профилактика посредством контроля источников и тщательного управления отходами гораздо более осуществима.

Стратегии восстановления и поддержания здорового состава почвы

Восстановление состава почвы требует перехода от экстрактивной к регенеративной практике. Следующие стратегии могут помочь восстановить органическое вещество, улучшить структуру и повысить биологическую активность.

Агроэкологические подходы

  • Вращение культур: Изменение различных семейств культур предотвращает истощение питательных веществ, нарушает циклы вредителей и улучшает структуру почвы через различные корневые системы.
  • Покрытие: Выращивание ржи, клевера или гречихи в периоды подлива защищает поверхность почвы, добавляет биомассу и фиксирует азот.
  • Нет-до или уменьшенный промысел: Минимизация нарушения почвы сохраняет совокупную стабильность, защищает органическое вещество и уменьшает эрозию.
  • Органические поправки: Регулярные применения компоста, навоза или биоугольного материала добавляют стабильный углерод и кормовые почвенные организмы.
  • Интегрированное управление питательными веществами: Сочетание синтетических удобрений с органическими источниками и биологическими инокулянтами повышает эффективность и снижает загрязнение.

Тестирование и мониторинг почвы

Регулярное тестирование почвы на рН, органическое вещество, уровень питательных веществ и текстуру предоставляет данные для точных поправок. Новые инструменты, такие как полевые датчики и дистанционное зондирование, позволяют фермерам отображать изменчивость почвы и применять методы обработки с переменной скоростью. Мониторинг дыхания почвы, подсчета дождевых червей и инфильтрации воды может дать раннее указание на тенденции в области здравоохранения. Страница NRCS Soil Health предлагает рекомендации по показателям и протоколам оценки.

Планирование и сохранение землепользования

Сохранение нетронутых экосистем — лесов, лугов, водно-болотных угодий — защищает почвы от деградации. Буферные полосы вдоль потоков фильтруют осадочные породы и питательные вещества; восстановление лесных угодий восстанавливает органическое вещество почвы и предотвращает эрозию. Городские почвы могут поддерживаться через зеленую инфраструктуру, такую как дождевые сады, проницаемые тротуары и общинные сады, которые включают компост. Политика зонирования, которая ограничивает запечатывание почвы непроницаемыми поверхностями, имеет решающее значение для поддержания инфильтрации воды и сокращения стока ливневых вод.

Роль почвенного углерода в смягчении последствий изменения климата

Почвенный состав занимает центральное место в глобальном углеродном цикле. Почвы содержат больше органического углерода, чем атмосфера и вся наземная растительность вместе взятые. Применяя методы, которые строят органическое вещество почвы, такое как агролесоводство, ротационное выпас скота и сохранение сельского хозяйства, землеустроители могут улавливать значительные количества атмосферного CO2. Инициатива 4 на 1000, запущенная на Парижской климатической конференции, направлена на увеличение глобальных запасов органического углерода почвы на 0,4% в год, что компенсирует значительную долю антропогенных выбросов. Хотя потенциал огромен, осознание этого требует долгосрочной приверженности и тщательного мониторинга, чтобы избежать насыщения или разворота.

Заключение

Состав почвы — это гораздо больше, чем техническая агрономическая тема; это краеугольный камень здоровья окружающей среды. Взаимодействие минералов, органических веществ, воды и воздуха определяет, может ли ландшафт производить пищу, фильтровать воду, поддерживать биоразнообразие и регулировать климат. Деградация этих компонентов вызывает каскадные неудачи, которые подрывают экосистемные услуги, необходимые для цивилизации. К счастью, наука об управлении почвой предлагает проверенные пути к восстановлению: строительство органических веществ, защита структуры и воспитание живых организмов, которые связывают почву вместе. Приоритетным составом почвы в решениях о землепользовании мы обеспечиваем более устойчивое и устойчивое будущее. Правительства, отрасли и отдельные лица играют роль в обращении тенденции снижения почв. Каждая горстка почвы имеет потенциал для обновления — если мы решим заботиться о ней.