Почва — это гораздо больше, чем просто грязь — это живая, дышащая система, которая лежит в основе земной жизни. Каждая совка почвы содержит минералы, органическое вещество, воду, воздух и удивительное разнообразие организмов. Понимание науки о почвообразовании раскрывает сложные, медленные процессы, которые создают основу для сельского хозяйства, экосистем и самой цивилизации. Эта статья углубляется в физическую структуру почвы, факторы, которые ее формируют, и насущную необходимость защитить этот конечный ресурс.

Что такое почва?

Почва представляет собой тонкий слой материала, покрывающего поверхность Земли, образованный выветриванием горных пород и разложением органического вещества. Она выполняет пять основных функций: среду для роста растений, регулятор потока воды, среду обитания почвенных организмов, переработку питательных веществ и инженерную среду для строительства. По объему типичная продуктивная почва состоит примерно из 45% минералов, 25% воды, 25% воздуха и 5% органического вещества. Эта небольшая часть органического вещества, однако, является двигателем плодородия и структуры.

Почва не статична; она непрерывно развивается из-за климата, биологической активности и вмешательства человека. Ее свойства - текстура, структура, рН, способность к катионному обмену - определяют, как она поддерживает жизнь и реагирует на стресс. Поскольку почва формируется веками, но может деградировать в годах, понимание ее генезиса имеет важное значение для устойчивого землепользования.

Пять факторов формирования почвы

Первопроходец-почвенник Ханс Дженни кодифицировал принцип, согласно которому формирование почвы является функцией родительского материала, климата, топографии, организмов и времени. Эти пять факторов взаимодействуют, чтобы произвести огромное разнообразие почв, найденных по всему миру.

Материалы для родителей

Материал для родителей относится к основному геологическому материалу, из которого развивается почва - будь то коренных пород, ледниковая долина, аллювиальные отложения или ветряная лёсса. Минеральный состав исходного материала в значительной степени определяет химический состав почвы. Например, почвы, полученные из гранита, имеют тенденцию быть песчаными и кислыми, в то время как почвы, полученные из известняка, являются щелочными и богатыми кальцием. Вулканический пепел выветривается в плодородные и изоляционные породы, которые поддерживают некоторые из самых продуктивных в мире сельскохозяйственных культур. Степень выветривания также зависит от того, насколько пористым и раздробленным является родительский материал, который влияет на движение воды и проникновение корней.

Климат

Температура и осадки являются основными климатическими факторами формирования почвы. Более высокие температуры ускоряют химические реакции и биологическую активность, ускоряют выветривание и разложение органических веществ. Осадки обеспечивают воду, которая стимулирует гидролиз, растворение и транслокацию минералов. Во влажных тропических регионах почвы часто сильно выветриваются, красноватые (из-за оксидов железа) и низкие по фертильности — классические оксизолы. В засушливом климате почвы накапливают растворимые соли, что приводит к аридиозу, который требует тщательного управления ирригацией. Климат также влияет на тип и количество растительности, которая, в свою очередь, диктует входы органического вещества.

топография

Форма ландшафта — крутизна склона, аспект и положение — изменяет то, как вода, осадок и солнечная энергия распределяются по участку. Степные склоны поощряют эрозию, в результате чего тонкие молодые почвы, которые часто не имеют хорошо развитого профиля. Плоские районы, такие как долины и поймы, накапливают воду и мелкие частицы, способствуя более глубоким, более плодородным почвам. Аспект (склоны на север против южных склонов в Северном полушарии) влияет на температуру и режимы влажности, создавая различные микроклиматы почвы. Топографическое положение также регулирует дренаж: хорошо дренированные почвы на хребтах резко отличаются от плохо дренированных почв в углублениях.

организмы

Живые организмы — от бактерий и грибов до земляных червей, термитов и корней растений — глубоко формируют почву. Микроорганизмы разлагают органическое вещество, высвобождая питательные вещества и образуя гумус. Земные черви зарыбывают, аэрируя почву и создавая каналы для проникновения воды. Корни растений выделяют органические кислоты, которые растворяют минералы и связывают частицы в агрегаты. Ризосфера (зона, окружающая корни) изобилует микробной активностью, которая циклически циркулирует с углеродом, азотом и фосфором. Более крупные животные, такие как суслики и родинки, физически смешивают почвенные горизонты в процессе, называемом биотурбацией. Деятельность человека — сельское хозяйство, обезлесение, урбанизация — теперь доминируют в процессах формирования почвы во многих регионах.

Время

Образование почв измеряется тысячелетиями. На развитие зрелого почвенного профиля в умеренных условиях может уйти 10 000 лет, в засушливых или холодных условиях процесс идет еще медленнее. Время позволяет дифференцировать горизонты, накопление органического вещества и выщелачивание или накопление минералов. Молодые почвы (энтизолы) лишены отчетливых горизонтов; старые почвы (ультизолы, оксизолы) демонстрируют глубокое выветривание и интенсивное горизонтирование. Абсолютный возраст менее важен, чем продолжительность воздействия других четырех факторов. Почвы на недавних речных террасах молоды, в то время как почвы на древних устойчивых ландшафтах сильно выветрились.

Процесс педогенеза

Педогенез — научный термин для формирования почвы.Он охватывает физические, химические и биологические преобразования, которые превращают сырой исходный материал в слоистую, биологически активную среду.

выветривание

Выветривание - это распад породы на более мелкие частицы. Физическое выветривание разрушает породу без изменения ее состава - циклы замораживания-оттаивания, истирание ветром и водой и тепловое расширение - все это способствует. Химическое выветривание изменяет минералы посредством таких реакций, как гидролиз (реакция с водой), окисление (реакция с кислородом) и карбонирование (реакция с углекислотой). Например, полевой шпат, общий минерал в граните, гидролизы для образования глинистых минералов и высвобождения калия. Биологическое выветривание включает корни, проникающие в трещины, лишайники, секретирующие кислоты, и микробы, производящие хелатирующие агенты. Вместе эти процессы высвобождают питательные вещества, которые требуют растения и микробы.

Накопление органической материи и хумус

По мере того, как растения, животные и микроорганизмы умирают, их останки попадают в почву и подвергаются разложению. Свежее органическое вещество быстро колонизируется бактериями и грибами, которые расщепляют простые сахара и белки. Более непокорные соединения — лигнин, танины — дольше сохраняются и образуют гумус, темное, стабильное коллоидное вещество. Гумус резко улучшает структуру почвы, связывая минеральные частицы в агрегаты, увеличивая водоудерживающую способность и поставляя питательные вещества через медленную минерализацию. Соотношение органического вещества к глине сильно влияет на способность обмена катионов почвы — его способность удерживать положительно заряженные питательные вещества, такие как кальций, магний и калий.

Развитие почвенных горизонтов

Со временем развиваются различные горизонтальные слои, называемые горизонтами. Классический профиль включает:

  • O Horizon: Поверхностный слой листового помета, разложившегося органического вещества и гумуса. Толстый в лесах, тонкий или отсутствующий в засушливых почвах.
  • Горизонт: Почва — темная, богатая органическими веществами и изобилующая биологической активностью. Это основной слой для корней растений.
  • E Horizon: Элювирован (выщелоченный) слой, часто светлого цвета из-за потери глины и оксидов железа.Обычны под хвойными лесами.
  • B Horizon: Недра, где накапливаются материалы, выщелаченные сверху (обезживление). Глину, железо и гумус собирают здесь, образуя компактные, красноватые или коричневые слои.
  • C Horizon: Измененный исходный материал — частично разбитая порода с небольшим количеством органического вещества. Может содержать сапролит (мягкий, разложившийся камень).
  • R Horizon: Твердая порода под почвой. Глубина до породы может варьироваться от менее метра до десятков метров.

Не все почвы содержат каждый горизонт; наличие и толщина каждого горизонта зависят от пяти почвообразующих факторов.

Классификация почв

Почвенные ученые классифицируют почвы на заказы на основе диагностических горизонтов, климата и исходного материала. Таксономия почв USDA признает 12 заказов, включая альфизолы (умеренно плодородные, с накоплением глины), моллизолы (глубокие, темные, богатые органическим веществом - «хлебные» почвы Великих равнин) и сподослы (кислотные, песчаные, с заметным сподическим горизонтом). Система Всемирной справочной базы (WRB), используемая на международном уровне, группирует почвы в 32 эталонные группы, такие как Ферральсолы (тропические, сильно выветрившиеся) и Черноземцы (черные, богатые карбонатом). Понимание классификации почв помогает землеустроителям прогнозировать поведение и выбирать соответствующие виды использования. Для более подробной информации см. Таксономия почв USDA .

Значение почвы

Почва лежит в основе почти всех наземных экосистемных услуг. Ее ценность выходит далеко за рамки растениеводства.

Поддержка роста растений

Почва обеспечивает якорную стоянку, воду и питательные вещества для растений. Без здоровой почвы глобальные продовольственные системы разрушаются. Один грамм здоровой почвы может содержать миллиарды микроорганизмов, которые циклически превращают азот, фосфор и сера в доступные растения формы. Микорризальные грибы образуют симбиотические ассоциации с корнями, расширяя охват растения водой и минералами. Почвенное органическое вещество буферизирует рН и поставляет питательные вещества с медленным высвобождением, уменьшая потребность в синтетических удобрениях. Поддержание плодородия почвы необходимо для питания растущего населения - однако Продовольственная и сельскохозяйственная организация сообщает, что 33% глобальных земель уже деградировали.

Водные правила

Почва действует как гигантская губка, поглощая осадки и медленно высвобождая их. Эта буферная способность уменьшает стоки, предотвращает наводнения и перезаряжает подземные водоносные горизонты. Хорошо структурированные почвы с высоким содержанием органического вещества могут хранить до 200 000 литров воды на гектар. И наоборот, уплотненные или коркистые почвы проливают воду, что приводит к эрозии и внезапным наводнениям. Почва также фильтрует загрязняющие вещества - осадки, патогены, питательные вещества - поскольку вода просачивается через профиль, защищая качество воды вниз по течению.

Среда обитания для биоразнообразия

В почве обитает необычайное разнообразие жизни. Одна чайная ложка плодородной почвы может содержать до миллиарда бактерий, несколько километров грибковых гиф и тысячи простейших и нематод. Земные черви, муравьи и термиты являются макрофауной, которая создает сеть пор и перерабатывает органическое вещество. Эта почвенная пищевая сеть стимулирует цикличность питательных веществ, подавление вредителей и хранение углерода. Потеря биоразнообразия почвы из-за интенсивного сельского хозяйства и химического загрязнения снижает устойчивость экосистем.

Углеродная секвестрация

Почвы содержат больше углерода, чем атмосфера и вся наземная растительность вместе взятые — примерно 2500 гигатонн органического углерода в верхнем метре. Применяя регенеративные методы — покрытие сельскохозяйственных культур, дождевой обработки, компостирования, агролесоводства — мы можем увеличить органический углерод почвы, смягчая изменение климата. Глобальный технический потенциал для поглощения углерода в почве оценивается в 2-5 гигатонн CO2 в год, но понимая, что это требует широкого внедрения устойчивого землепользования. Для исследований динамики углерода в почве см. Общество почвоведения Америки .

Угрозы здоровью почв

Несмотря на свою важную роль, почва сталкивается с серьезными и ускоряющимися угрозами со стороны человеческой деятельности.

эрозия

Ветровая и водная эрозия удаляют верхний слой почвы со скоростью, значительно превышающей почвообразование. Обычная обработка почвы оставляет почву голой и уязвимой; по оценкам, ежегодно во всем мире теряется 75 миллиардов тонн почвы. Эрозия не только снижает производительность сельского хозяйства, но и заселяет водные пути и ухудшает водные среды обитания. Постоянный покров, контурное земледелие и террасирование могут уменьшить эрозию более чем на 90%.

Загрязнение

Тяжелые металлы (свинец, кадмий, мышьяк), пестициды и микропластики загрязняют почвы, вторгаясь в пищевую цепь и нанося вред здоровью человека. Промышленная деятельность и добыча полезных ископаемых оставляют после себя наследственное загрязнение, которое сохраняется на протяжении десятилетий. Сельскохозяйственный сток азота и фосфора вызывает эвтрофикацию озер и прибрежных зон. Рекультивация загрязненных почв дорогостоящая и часто требует раскопок или био-подходов, таких как фиторемедиация.

Компактность

Тяжелая техника и перевыпас компактной почвы, сокращение порового пространства и увеличение объемной плотности. Компактные почвы ограничивают рост корней, ограничивают инфильтрацию воды и способствуют стоку. В городских районах запечатывание почвы под бетоном и асфальтом полностью разрушает ее функции. Недропользование и сокращение трафика являются частичными средствами правовой защиты, но профилактика посредством тщательного управления гораздо эффективнее.

Засоление и опустынивание

Орошение в засушливых регионах часто приводит к накоплению соли, что делает почвы непродуктивными. Засоление затрагивает около 20% орошаемых земель во всем мире. Опустынивание - деградация почв засушливых земель - обусловлено чрезмерным выпасом, обезлесением и изменением климата. Как только почвы становятся солеными или опустынивающимися, восстановление происходит чрезвычайно медленно и дорого.

Устойчивое управление почвами

Для охраны и восстановления здоровья почв требуется переход к регенеративной практике.

  • Нет-дождь и уменьшенная обработка почвы: Минимизация нарушения почвы сохраняет органическое вещество, уменьшает эрозию и улучшает проникновение воды.
  • Покровные культуры: Выращивание трав, бобовых или брассиков между товарными культурами покрывает почву, добавляет органическое вещество и фиксирует азот.
  • Вращение и диверсификация культур: Разнообразные вращения нарушают циклы вредителей, улучшают структуру почвы и улучшают цикличность питательных веществ.
  • Компост и навозные поправки: Органические материалы восстанавливают органическое вещество почвы и питают микробное сообщество.
  • Агролесоводство и ветровые полы: Деревья и кустарники уменьшают эрозию, обеспечивают тень и добавляют органическое вещество через листовой помет.
  • Управляемый выпас: Ротационный выпас предотвращает перевыпас, позволяет восстановить траву и увеличивает поступления углерода корнями.

Правительства и организации все чаще признают необходимость мониторинга почв и политики. Глобальное почвенное партнерство ФАО способствует устойчивому управлению почвами во всем мире, и такие инициативы, как стратегия ЕС по почвам, направлены на защиту этого невозобновляемого ресурса.

Заключение

Наука о почвообразовании раскрывает динамичный, слоистый мир, который невидим под нашими ногами. От медленного измельчения пород до шумной деятельности миллиардов микроорганизмов, почва является свидетельством взаимодействия геологии, климата, биологии и времени. Ее структура определяет ее способность поддерживать жизнь, регулировать воду и хранить углерод. Тем не менее почва хрупкая - эрозия, загрязнение и изменения в землепользовании разрушают ее быстрее, чем природа может регенерировать. Понимая процессы, которые создают и поддерживают почву, мы можем принять методы управления, которые сохраняют ее для будущих поколений. Земля, по которой мы ходим, - это не просто грязь; это основа самой цивилизации.