Table of Contents

Почва — это гораздо больше, чем грязь под нашими ногами; это динамичная, живая система, которая формирует основу наземных экосистем. От пышных микробных сообществ, которые циклируют питательные вещества, до высоких лесов, закрепленных ее глубинами, почва служит интерфейсом между геологическими и биологическими мирами. Понимание процесса формирования почвы — педогенез — показывает, как этот важный ресурс развивается на протяжении веков и тысячелетий, и как его здоровье напрямую влияет на стабильность экосистемы, производительность сельского хозяйства и глобальное регулирование климата. В этой статье исследуются сложные этапы формирования почвы, факторы, которые формируют ее, ее критические экологические роли и насущная необходимость ее сохранения в эпоху быстрых изменений окружающей среды.

Понимание формирования почвы: фундаментальный процесс

Формирование почвы начинается с обогрева исходного материала (FLT:0) — основной основы или переносимого осадка — и одновременного накопления и разложения органического вещества. Со временем эти процессы создают слоистый вертикальный профиль, известный как горизонты почвы. Каждый горизонт имеет различные физические, химические и биологические свойства, которые отражают взаимодействующие силы климата, организмов, топографии и времени. Результатом является пористая, богатая питательными веществами среда, способная поддерживать рост растений и поддерживать широкий спектр жизни.

Первичные процессы в педогенезе

Почвенные ученые признают четыре основные категории почвообразующих процессов: дополнения, потери, транслокации и трансформации. Добавления включают осаждение органического материала из растений и животных, а также атмосферные входы, такие как пыль и осадки. Потери происходят через эрозию, выщелачивание растворимых минералов и удаление питательных веществ растениями. Транслокации включают вертикальное или боковое движение материалов в почвенном профиле, таких как частицы глины, промывающие вниз или карбонаты кальция, накапливающиеся в нижних горизонтах. Трансформации - это химические и биологические изменения, которые превращают минералы и органическое вещество в новые вещества, такие как образование глинистых минералов или гумуса. Эти процессы работают одновременно, обусловленные пятью почвообразующими факторами.

Пять факторов, влияющих на формирование почв

Классическая модель почвообразования, впервые предложенная российским географом Василием Докучаевым, а затем усовершенствованная Хансом Дженни, определяет пять ключевых факторов: исходный материал, климат, топография, биота и время.Каждый фактор взаимодействует с другими, чтобы создать уникальный тип почвы в любом конкретном месте.

Материалы для родителей

Материал-родитель относится к минеральному субстрату, из которого развивается почва. Он может быть остаточный (выветривается на месте из лежащей в основе породы) или транспортируемый (депонируется водой, ветром, льдом или гравитацией.] Состав и размер частиц исходного материала сильно влияют на текстуру почвы, минералогию и плодородие. Например, гранит выветривается в песчаные, бедные питательными веществами почвы, в то время как известняк производит богатые глиной щелочные почвы. Материал-родитель также определяет скорость выветривания, так как некоторые породы, такие как базальт, разрушаются быстрее, чем кварцит.

Климат

Климат часто считается наиболее влиятельным фактором, потому что он контролирует интенсивность и продолжительность выветривания. Температура и осадки напрямую влияют на скорость химических реакций, биологическую активность и движение воды через почву. В теплом, влажном климате химическое выветривание протекает быстро, выщелачивая растворимые основания и оставляя после себя оксиды железа и алюминия - процессы, которые производят глубокие, сильно выветрившиеся почвы, такие как оксизолы. В холодных или засушливых регионах доминирует физическое выветривание, а разложение органических веществ происходит медленно, что приводит к тонким, плохо развитым почвам.

топография

Форма и наклон ландшафта —топография — влияет на дренаж, эрозию и микроклимат. Почвы на крутых склонах часто неглубокие, хорошо дренированные и подвержены эрозии, в то время как в низменных районах накапливаются мелкие частицы и органическое вещество, часто становятся плохо осушенными. Аспект (склоны, обращенные к северу и югу) влияет на температуру и влагу, что еще больше дифференцирует развитие почвы. Топография также регулирует движение воды и растворенных материалов по ландшафту, создавая катены — последовательности связанных почв вдоль склона.

Биотика

Живые организмы — от бактерий и грибов до дождевых червей, корней растений и норных млекопитающих — играют центральную роль в формировании почвы. Биота способствует органическому веществу через выпадение мусора и оборот корней, усиливает агрегацию, смешивает почвенные горизонты и циклы питательных веществ. Микроорганизмы приводят к разложению и фиксации азота, в то время как корни растений выделяют кислоты, которые выделяют минералы. Присутствие растительности также стабилизирует почву против эрозии и влияет на водный режим почвы. В лесных экосистемах накапливаются толстые органические слои; в лугах образуются глубокие, органически обогащенные горизонты A.

Время

Образование почв — это зависящий от времени процесс. Молодые почвы (несколько сотен лет) могут быть слабо развиты, с минимальной дифференциацией горизонтов. Зрелые почвы (тысячи — десятки тысяч лет) демонстрируют отчетливые горизонты и достигли состояния относительного равновесия с окружающей средой. Очень старые почвы (миллионы лет), найденные в стабильных ландшафтах, таких как части Австралии и Африки, глубоко выветрились и бедны питательными веществами. Скорость формирования почв варьируется в зависимости от климата и исходного материала, но в целом для формирования одного сантиметра верхнего слоя почвы требуются столетия.

Профиль почвы: горизонты и их функции

По мере развития почвы она организуется в вертикальную последовательность горизонтов, которые вместе образуют профиль почвы .Понимание этих горизонтов является ключом к оценке здоровья почвы и ее роли в экосистемах.

  • O Horizon: Органический слой, состоящий из свежего и частично разложившегося растительного мусора, такого как листья, ветки и мх. Он наиболее заметен в лесах и водно-болотных угодьях. Горизонт О обеспечивает среду обитания для разлагателей и выделяет питательные вещества по мере распада органического вещества.
  • Горизонт: Горизонт: Горизонт: Горизонт: Горизонт: Горизонт — это темный, богатый минералами слой, смешанный с гумусом. Это основная зона для роста корней растений, микробной активности и круговорота питательных веществ. Горизонт А часто является наиболее биологически активной частью почвы.
  • E Horizon: Элювирован (выщелоченный) слой, найденный под горизонтом А в некоторых почвах, особенно в лесах. Он светлого цвета из-за удаления глины, железа и органического вещества путем перколяции воды. Горизонт Е часто песчаный и бедный питательными веществами.
  • B Horizon: Недра, где накапливаются выщелаченные сверху материалы. Он обогащается глиной, оксидами железа, карбонатами или другими соединениями. Горизонт В может быть плотным и препятствовать проникновению корней, но он также хранит воду и питательные вещества.
  • C Horizon: Материальный слой, состоящий из выветрившихся пород или осадка с минимальным биологическим воздействием. Он служит источником минеральных питательных веществ и влияет на содержание грубых фрагментов почвы.
  • R Horizon: Основополагающая основа.В мелководных почвах горизонт R может быть близок к поверхности, ограничивая глубину корня и хранение воды.

Не все почвы имеют все горизонты; наличие и толщина каждого зависят от пяти почвообразующих факторов. Например, лугопастбищные почвы (моллизолы) часто не имеют горизонта Е и имеют глубокий, темный горизонт А, тогда как лесные почвы (сподозоли) имеют выраженный горизонт Е и хорошо развитый горизонт В, обогащенный органическим веществом и железом.

Виды почв и их экологические последствия

Текстура почвы — доля песка, ила и глины — является фундаментальным свойством, которое влияет на удержание воды, дренаж, аэрацию и доступность питательных веществ.

  • Песчаная почва:] Доминируют крупные частицы, песчаные почвы быстро стекают и хорошо обогреваются, но имеют низкую водосодержащую способность и удержание питательных веществ. Они распространены в прибрежных и пустынных средах и поддерживают растения, адаптированные к засухе, такие как кактусы и глубоко укоренившиеся травы.
  • Глиняная почва:] Очень мелкие частицы создают высокую площадь поверхности и сильную химическую связь, делая глинистые почвы богатыми питательными веществами, но медленно дренируемыми. Они могут стать заболоченными и часто липкими, когда влажными, твердыми, когда сухими. Глиняные почвы поддерживают такие культуры, как рис, и важны для хранения углерода из-за защиты органических веществ в агрегатах.
  • Почва почва: Промежуточные между песком и глиной, иловые почвы имеют умеренный дренаж и хорошую плодородность. Они часто встречаются в речных долинах и поймах (лоссовые отложения) и высокопродуктивны для сельского хозяйства, хотя подвержены эрозии ветром и водой.
  • Сухая почва:] Сбалансированная смесь песка, ила и глины, суглинистая почва считается идеальной для большинства растений, поскольку она сочетает в себе хороший дренаж, удержание воды, аэрацию и доступность питательных веществ.Сухая почва является предпочтительным типом почвы для садоводства, сельского хозяйства и многих природных экосистем.

Помимо текстуры, система таксономии почв (например, таксономия почв USDA) классифицирует почвы на заказы, основанные на развитии горизонта, химических свойствах и климатических режимах. Например, Альфизолы являются умеренно выщелоченными, почвы с высоким статусом основания, распространенные в лиственных лесах; Ультизолы сильно выветрились, кислые почвы влажных тропических и субтропических регионов; Аридисолы образуются в пустынях с редкой растительностью; и Гистозолы являются богатыми органическими почвами водно-болотных угодий. Каждый порядок поддерживает различные типы экосистем и требует различных подходов к управлению.

Роль почвы в экосистемах

Почва является важнейшим компонентом экосистемы, который предоставляет набор основных услуг, поддерживающих жизнь на Земле. Эти услуги могут быть сгруппированы в функции обеспечения, регулирования, поддержки и культуры.

Питательные водохранилища и велосипеды

Почва действует как обширный резервуар питательных веществ, сохраняя основные элементы, такие как азот, фосфор, калий и микроэлементы в формах, к которым могут получить доступ растения. Благодаря разложению органического вещества, минерализации микробами и симбиотических отношений (например, микоризные грибы и азотфиксирующие бактерии), питательные вещества непрерывно циркулируют между почвой, растениями и атмосферой. Этот цикл лежит в основе продуктивности всех наземных экосистем, от лугов до тропических лесов.

Фильтрация и хранение воды

По мере того, как дождевая вода проникает через профиль почвы, физические, химические и биологические процессы фильтруют и очищают воду. Приостановленные частицы пойманы в ловушку, загрязняющие вещества адсорбируются на глину и органическое вещество, а микроорганизмы разрушают загрязняющие вещества. Почва также регулирует поток воды, поглощая осадки и медленно высвобождая их в потоки и грунтовые воды, снижая риски наводнений и поддерживая базовые потоки в сухие периоды. Способность почвы хранить воду - ее емкость поля - необходима для выживания растений и сельскохозяйственного орошения.

Среда обитания для биоразнообразия

Почва является одной из самых разнообразных сред обитания на Земле. Один грамм здоровой почвы может содержать миллиарды бактерий, тысячи видов грибов и бесчисленные простейшие, нематоды и микроартроподы. Более крупные организмы, такие как дождевые черви, муравьи, термиты и норы млекопитающих также обитают в почве. Это биологическое сообщество стимулирует цикличность питательных веществ, разлагает органическое вещество, улучшает структуру почвы посредством биотурбации и поддерживает пищевые сети, которые простираются над землей. Биоразнообразие почвы жизненно важно для устойчивости экосистемы и производительности.

Хранение углерода и регулирование климата

Почвы содержат больше углерода, чем атмосфера и вся наземная растительность вместе взятые, что делает их критическим поглотителем углерода. Органический углерод накапливается в почве в виде гумуса и в стабильных агрегатах, где он может храниться в течение веков или тысячелетий. Практики землепользования, которые улучшают органическое вещество почвы, такие как возделывание без дождевого периода, покрытие и агролесоводство, помогают смягчить изменение климата путем улавливания углекислого газа в атмосфере. И наоборот, нарушение почвы путем обработки почвы или обезлесения высвобождает накопленный углерод, способствуя выбросам парниковых газов.

Физическая поддержка растений

Помимо обеспечения питательными веществами и водой, почва поддерживает корни растений и обеспечивает физическую стабильность. Гранулочная структура почвы создает сеть пор для проникновения корней, газообмена и движения воды. Здоровая структура почвы сопротивляется уплотнению, позволяя корням расти глубоко и получать доступ к запасам влаги. Без стабильной почвы экосистемы не могли бы поддерживать разнообразные растительные сообщества, которые образуют основу наземных пищевых сетей.

Влияние человека на здоровье почв

Деятельность человека резко изменила процессы формирования почв и ускорила деградацию почв в глобальном масштабе. Понимание этих последствий имеет решающее значение для разработки эффективных стратегий сохранения.

Сельское хозяйство и интенсивное сельское хозяйство

Современная сельскохозяйственная практика, включающая обычную обработку почвы, монокропирование и интенсивное использование удобрений, может истощать органическое вещество почвы, нарушать структуру почвы и сокращать биоразнообразие. Поголовье разрушает агрегаты, подвергая органический углерод быстрому разложению и увеличивая эрозию. Перенасыщение азотными удобрениями приводит к подкислению и выщелачиванию нитратов, в то время как орошение в засушливых регионах вызывает засоление. Эти практики способствуют глобальному темпу деградации почвы, который опережает естественное почвообразование на порядки.

Вырубка лесов и преобразование земель

Очистка лесов для сельского хозяйства, пастбищ или городского развития удаляет защитный растительный покров, подвергая почву воздействию дождевой капли и стоку. Эрозия почвы может ускориться в 10-100 раз после обезлесения, лишая богатые питательными веществами верхние слои почвы. Потеря входов органических веществ и снижение связывания корней еще больше дестабилизирует почву. Тропическое обезлесение, в частности, приводит к быстрой деградации почвы из-за высокой интенсивности осадков и хрупкости глубоко выветрившихся почв.

Урбанизация и уплотнение почвы

Городская экспансия запечатывает поверхности почвы под непроницаемыми материалами, такими как асфальт и бетон, предотвращая инфильтрацию воды, газообмен и биологическую активность. Уплотнение почвы устраняет экосистемные услуги, которые почва предоставляет в городских районах — регулирование наводнений, хранение углерода и среда обитания — и способствует воздействию городского теплового острова. Даже зеленые насаждения в городах часто страдают от уплотнения, загрязнения и уменьшения органического вещества.

Загрязнение и загрязнение

Промышленная деятельность, добыча полезных ископаемых, неправильное удаление отходов и сельскохозяйственные химикаты вводят в почву токсичные загрязнители, включая тяжелые металлы, стойкие органические загрязнители и микропластики. Эти загрязнители могут сохраняться в течение десятилетий, нанося вред почвенным организмам, снижая фертильность и входя в пищевые цепи. Загрязнение почв особенно проблематично в районах вблизи промышленных объектов и интенсивных сельскохозяйственных регионов, создавая риски для здоровья человека и целостности экосистем.

Отзывы об изменении климата

Повышение температуры и изменение структуры осадков влияют на процессы формирования почв и ускоряют деградацию. Повышенная засуха снижает продуктивность растений и поступления органических веществ, в то время как экстремальные осадки усиливают эрозию. Оттепель вечной мерзлоты в высоких широтах подвергает большие запасы органического углерода микробному разложению, потенциально выделяя значительное количество парниковых газов. Изменение климата создает петли обратной связи, которые еще больше ухудшают здоровье почвы, подрывая ее способность регулировать климат.

Стратегии сохранения почв

Для охраны и восстановления здоровья почв требуется сочетание устойчивых методов землепользования, мер политики и информирования общественности. Эффективные стратегии сохранения направлены на устранение коренных причин деградации при одновременном повышении качества экосистемных услуг, которые обеспечивает почва.

Вращение и диверсификация культур

Вращение растений включает чередование различных видов растений в течение вегетационного периода для улучшения плодородия почвы, разрыва циклов вредителей и снижения давления заболеваний.Включение бобовых в вращение фиксирует атмосферный азот, уменьшая потребность в синтетических удобрениях.Разнообразные системы выращивания также улучшают органическое вещество почвы и микробное разнообразие по сравнению с монокультурами.Вращения с глубоко укоренившимися культурами могут улучшить структуру почвы и инфильтрацию воды.

Покрытие и зеленые мануры

Посадка покрывает культуры — такие как рожь, клевер или ветч — в периоды подлива защищает почву от эрозии, подавляет сорняки и добавляет органическое вещество. Покровные культуры поглощают остаточные питательные вещества, уменьшают вымывание нитратов и обеспечивают среду обитания для полезных насекомых. При включении в почву в качестве зеленого навоза они высвобождают питательные вещества для последующих культур. Покровное земледелие является ключевым компонентом природоохранного сельского хозяйства и широко рекомендуется такими организациями, как Служба охраны природных ресурсов Министерства сельского хозяйства США.

Сокращение посевной площади и безвозводное сельское хозяйство

Сведение к минимуму нарушений почвы посредством сниженной обработки почвы или систем без дождевого сбора сохраняет структуру почвы, защищает органическое вещество и поддерживает среду обитания почвенных организмов. No-till сельское хозяйство оставляет остатки сельскохозяйственных культур на поверхности, что уменьшает эрозию и потерю влаги при постепенном строительстве углерода в почве. Однако дождевое хозяйство часто требует изменений в управлении сорняками и оборудовании, и его преимущества могут варьироваться в зависимости от климата и типа почвы. В сочетании с покровным обрезом, снижение обработки почвы является одной из наиболее эффективных стратегий улучшения здоровья почвы.

Органические поправки и компостирование

Добавление органических поправок — таких как компост, навоз, биоуголь или зеленые отходы — повышает органическое вещество почвы, улучшает доступность питательных веществ и повышает удержание воды. Компостирование превращает органические отходы в стабильные, без патогенов материалы, которые питают почву и подавляют болезни растений. Биоуголь, форма древесного угля, производимая из биомассы, может секвестрировать углерод в течение веков, одновременно улучшая плодородие почвы и уменьшая выщелачивание питательных веществ. Эти методы особенно ценны для восстановления деградированных сельскохозяйственных и городских почв.

Агролесоводство и буферы сохранения

Интеграция деревьев и кустарников в сельскохозяйственные ландшафты (]агролесоводство) обеспечивает множество преимуществ: корни стабилизируют почву, подстилка листьев добавляет органическое вещество, а покрытие навеса умеряет микроклимат. Системы агролесоводства, такие как обрезка аллей или силвопастюра, могут увеличить биоразнообразие, секвестрировать углерод и улучшить качество воды. Буферы сохранения — испарительные полосы, ветровые полосы и травянистые водные пути — концентрируют стоки и улавливают осадочные породы, защищая почву от эрозии и фильтрации загрязняющих веществ до того, как они достигнут водных путей.

Мониторинг почв и образование

Долгосрочный успех в сохранении почв зависит от рутинного мониторинга почв для отслеживания изменений в органическом веществе, статусе питательных веществ, уплотнении и биологической активности. Тестирование почвы направляет управление питательными веществами и помогает предотвратить перенасыщение удобрений. Образовательные программы, начиная от фермерских полевых школ до кампаний по информированию общественности, способствуют принятию передовой практики. Такие организации, как Общество почвоведения Америки и Глобальное почвенное партнерство ФАО, предоставляют ресурсы и руководящие принципы для устойчивого управления почвами.

Вывод: будущее почвенного попечительства

Образование почв - это медленный, сложный процесс, который создал ресурс, который поддерживает жизнь, на который мы опираемся в отношении продовольствия, воды, регулирования климата и биоразнообразия. Тем не менее, давление человека вызывает деградацию почвы со скоростью, намного превышающей естественное обновление. Признание почвы в качестве невозобновляемого ресурса в человеческих временных рамках - это первый шаг к значимому управлению. Приняв методы сохранения, поддерживая исследования в области почвоведения и включив здоровье почвы в политику и решения по землепользованию, мы можем защитить эту жизненно важную основу для будущих поколений. Здоровье наших почв неразрывно связано со здоровьем наших экосистем - и, в конечном счете, с нашим собственным выживанием.