Почему почва имеет значение: больше, чем грязь под ногами

Почва - это живая кожа Земли, динамичная и сложная среда, которая поддерживает почти всю наземную жизнь. Вместо того, чтобы быть просто «грязью», почва обеспечивает основу для роста растений, обеспечивает среду обитания для миллиардов организмов и выполняет основные экосистемные услуги - от фильтрации воды и переработки питательных веществ до хранения огромного количества углерода. Понимание того, как формы почвы имеют решающее значение для управления землями, устойчивого сельского хозяйства и смягчения последствий изменения климата. Процесс медленный, занимает столетия, чтобы сформировать всего несколько сантиметров, и он регулируется взаимодействием климата, геологических сил и биологической активности. В этой статье исследуется сложная взаимосвязь между климатом и земными процессами в формировании почв под нашими ногами.

Пять основных факторов формирования почвы

Почвенные ученые признают пять основных факторов, которые контролируют формирование почвы: климат, исходный материал, топография, биологическая активность и время. Эти факторы работают вместе, и их относительная важность варьируется от одного места к другому. Понимание каждого фактора обеспечивает дорожную карту для прогнозирования свойств почвы и поведения в ландшафтах.

Климат: доминирующий водитель

Климат часто считается наиболее влиятельным почвообразующим фактором. Температура и осадки непосредственно контролируют скорость химического и физического выветривания, а также разложения органического вещества. В теплых, влажных регионах химическое выветривание ускоряется, расщепляя первичные минералы на вторичные глины и выделяя питательные вещества растений. Высокие осадки также выщелачивают растворимые минералы, такие как кальций и калий, глубже в профиль, создавая отчетливые почвенные горизонты. И наоборот, в холодном или засушливом климате выветривание протекает медленно, органическое вещество накапливается, поскольку разложение ограничено, а почвы неглубокие и менее развитые.

Климат также определяет доминирующий тип растительности, которая, в свою очередь, влияет на ввод органических веществ и циклическое питание. Например, тропические леса с высоким круглогодичным количеством осадков производят глубокие, сильно выветрившиеся почвы, известные как Оксизолы (или латериты), богатые оксидами железа и алюминия, но с низкой плодородностью из-за интенсивного выщелачивания. Напротив, луга в полузасушливых регионах производят плодородные Моллизолы с толстым, темным верхним покровом, богатым органическим веществом.

Материалы для родителей: Геологический фонд

Материал для родителей относится к неконсолидируемому минералу или органическому материалу, из которого развивается почва. Он обеспечивает первоначальный минеральный состав и текстуру. Природа родительской породы - будь то магматический, осадочный или метаморфический - определяет набор минералов, доступных для выветривания. Почвы, полученные из гранита, например, обычно песчаные и кислые, потому что кварц устойчив к выветриванию и полевые шпаты распадаются на глину. Почвы из известняка, с другой стороны, часто богаты глиной и щелочны, потому что карбонат кальция легко растворяется, оставляя нерастворимые глины. Материал для родителей также включает вулканический пепел, ледниковую дождевую, аллювиальные отложения и ветровую лёссу. Каждый придает различные характеристики развивающейся почве. Во многих ландшафтах родительский материал может транспортироваться (аллювий, коллувий), а не остаточный, добавляя сложность процессу формирования почвы.

Оригинальное название: Shaping the Landscape

Топография — форма и наклон земли — изменяет эффекты климата и родительского материала. Градиент склона и аспект влияют на дренаж воды, скорость эрозии и солнечное излучение. Наклоны крутых склонов быстро проливают воду, что приводит к более тонким почвам с меньшим количеством органического вещества, потому что эрозия удаляет поверхностный материал быстрее, чем он может накапливаться. Уровень или вогнутые области позволяют воде проникать и накапливаться, способствуя более глубоким профилям почвы и более высокому содержанию органического вещества, но они также могут стать заболоченными. Аспект (направление, обращенное к склону) влияет на температуру и влагу: в Северном полушарии склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, теплее и суше, и поддерживают различную растительность и развитие почвы, чем склоны, обращенные на север. Повышение также играет роль, поскольку более высокие высоты имеют более низкие температуры и повышенные осадки, изменяя скорость выветривания и зоны растительности. Топография по существу создает микроклиматы, которые производят мозаику типов почвы на коротких расстояниях.

Биологическая активность: Живой компонент

Организмы от микробов до млекопитающих активно формируют почвообразование. Корни растений проникают в трещины и оказывают физическую силу, разбивая фрагменты горных пород. Корни также выделяют органические кислоты, которые химически выветривают минералы. По мере того, как растения отмирают, они добавляют органическое вещество на поверхность, которое разлагается на гумус — темный, богатый питательными веществами компонент, который дает верхнему покрову плодородие. Земные черви, термиты, муравьи и норы млекопитающих смешивают почвенные горизонты, создают каналы для воздуха и воды и включают органические материалы глубоко в профиль. Микроорганизмы, такие как бактерии и грибы, являются рабочими лошадками разложения и круговорота питательных веществ. Микороризальные грибы образуют симбиотические отношения с корнями, усиливая поглощение питательных веществ. Микорризальные грибы превращают атмосферный азот в формы, которые могут использовать растения. Без биологической активности образование почвы будет значительно медленнее, а почвы будут испытывать недостаток в структуре и плодородии, необходимых для поддержки экосистем.

Время: медленное разворачивание

Образование почв — это процесс, который работает в геологических временных масштабах. Это может занять от 100 до 1000 лет, чтобы сформировать всего 2—3 сантиметра верхнего слоя почвы в благоприятных условиях и намного дольше в суровом климате. Со временем почвы развивают различные горизонты (слои) в профиль, от богатого органическими веществами горизонта О на поверхности до частично выветрившегося горизонта С над горизонтом скалы R. Молодые почвы, известные как Энтизолы , являются мелкими и не имеют четкого горизонтирования. По мере их созревания они становятся более дифференцированными и проявляют большую сложность. Концепция времени также охватывает продолжительность, которую другие факторы действовали на материал. В регионах со стабильными наземными поверхностями, такими как старые плато, почвы могут быть миллионы лет и глубоко выветрились. В активных ландшафтах (например, речные поймы или недавно оледеневшие районы), почвы молоды и отражают текущие корректировки. Время объединяет все другие факторы, и степень развития почвы является показателем для возраста ландшафта.

Роль климата в формировании типов почв

Поскольку климат оказывает такой мощный контроль, почвы во всем мире попадают в широкие категории, которые соответствуют основным климатическим зонам. В системе таксономии почв USDA признаются 12 порядков почвы, и несколько непосредственно связаны с влагой и температурными режимами. Гелизолы являются вечной мерзлотой почв холодного климата, где накапливается вечная мерзлота и органическое вещество. Гистозлы являются органическими почвами (торф и смрад), которые образуются в заболоченных условиях, типичных для прохладного, влажного климата. Сподозоли развиваются в хвойных лесах в прохладном, влажном климате, характеризующемся зольно-серым выщелачивающимся горизонтом. Ультизолы являются сильно выветрившимися почвами теплых, влажных регионов, часто крас

Земные процессы: выветривание, эрозия и осаждение

Геологические процессы непрерывно изменяют поверхность Земли, обеспечивая свежий исходный материал и перераспределяя почву.Три ключевых процесса - выветривание, эрозия и осаждение.

Исполнитель: Breaking Down Rock

Выветривание является начальным этапом в формировании почвы. Оно может быть физическим (механическим) или химическим Физическое выветривание включает циклы замораживания-оттаивания, корневого заклинивания, термического расширения и истирания ветром или водой. Эти процессы разбивают камни на более мелкие фрагменты, увеличивая площадь поверхности для дальнейшей химической атаки. Химическое выветривание включает в себя такие реакции, как гидролиз, окисление, растворение и карбонирование, которые превращают первичные минералы во вторичные глины, оксиды и растворимые ионы. Например, минералы полевого шпата гидролизуются с образованием каолинитовой глины, в то время как богатые железом минералы окисляются для получения красных и коричневых оксидов железа. Скорость выветривания зависит от климата (температура и влажность) и стойкость исходного

Эрозия: транспортировка материалов

Эрозия - это удаление и транспортировка частиц почвы и горных пород ветром, водой или льдом. Эрозия воды - всплеском осадков, листовым потоком, рилями и оврагами - является наиболее распространенной формой. Она преимущественно удаляет мелкие частицы и органическое вещество, ухудшая качество почвы на месте и откладывая их в другом месте. Эрозия ветра значительна в засушливых и полузасушливых регионах, создавая пыльные бури и перераспределяя лесс (ветряной ил). Ледниковая эрозия очищает ландшафты, измельчая породу в мелкую «каменную муку», которая становится исходным материалом для плодородных почв ниже по течению. В то время как эрозия является естественным процессом, человеческая деятельность, такая как обезлесение, чрезмерный выпас и интенсивная обработка почвы ускоряют ее далеко за пределы естественных темпов, что приводит к потере почвы и деградации земель во всем мире.

Депозиция: строительство новых слоев почвы

Размытый материал должен в конечном итоге где-то осесть. Опускание происходит, когда транспортирующий агент (вода, ветер или лед) теряет энергию, сбрасывая свою нагрузку на осадки. Речные поймы, дельты, аллювиальные вентиляторы и озерные бассейны регулярно получают свежие осадки, обновляя почвенный исходный материал и часто производя плодородные почвы. Ветровые отложения (лоссы) покрывают большие площади, создавая глубокие, застывшие почвы, которые являются высокопродуктивными для сельского хозяйства. Отложения вулканического пепла также составляют важные исходные материалы во многих регионах. Опускание может закапывать существующие почвы, создавая палеозоли (древние почвы), которые сохраняют записи о прошлых средах. Постоянный баланс между эрозией и осаждением регулирует толщину и распределение почв по ландшафтам.

Взаимосвязи: как климатические и земные процессы работают вместе

Климат и земные процессы не являются независимыми. Климат диктует агенты эрозии (дождь, ветер, лед) и механизмы выветривания, в то время как тектонический подъем, вулканизм и оледенение (земные процессы) генерируют новый родительский материал и изменяют топографию. В течение длительного времени подъем горных хребтов влияет на региональный климат - например, Гималаи, блокирующие влагу, создают дождевые тени - что, в свою очередь, изменяет скорость выветривания и эрозии в прилегающих районах. Эта петля обратной связи означает, что почвообразование является частью более крупной системы Земли: литосфера, атмосфера, гидросфера и биосфера взаимодействуют через среду почвы. Понимание этих связей имеет решающее значение для прогнозирования того, как почвы будут реагировать на изменение климата. Более высокие температуры и измененные модели осадков могут ускорить разложение органического вещества почвы, выпуск углекислого газа и обратно в глобальное потепление. Увеличение эрозии от более интенсивных штормов может ухудшить почвенные ресурсы, в то время как ледниковое отступление подвергает свежий родительский материал

Влияние человека на формирование почв и здоровье

Деятельность человека стала доминирующей силой, формирующей почвы, часто подавляющей естественные процессы формирования почв. В прошлом веке сельское хозяйство превратило обширные площади местных лугов и лесов в пахотные земли. Посадка, орошение и оплодотворение изменяют структуру почвы, циклы питательных веществ и динамику органических веществ. Чрезмерное орошение в сухих регионах приводит к засолению - накоплению солей, которые могут сделать почву бесплодной. Обезлесение ускоряет эрозию и потерю питательных веществ. Обезлесение сокращает почву и уменьшает вегетативный покров, увеличивая стоки. Урбанизация закапывает почвы под непроницаемыми поверхностями и загрязняет их. Текущие темпы деградации почв во всем мире вызывают тревогу: по некоторым оценкам, одна треть почв в мире деградирует из-за эрозии, уплотнения, подкисления, потери органических веществ и истощения питательных веществ. Эти изменения не только снижают сельскохозяйственную продуктивность, но и ухудшают способность почвы хранить углерод, фильтровать воду и поддерживать биоразнообразие.

С положительной стороны, устойчивые методы землепользования, такие как возделывание без дождевых осадков, покрытие, агролесоводство, контурное вспашка и восстановление органических веществ, могут имитировать естественные процессы формирования почвы и восстанавливать деградированные почвы. Понимание фундаментальных факторов, которые создают почву, дает нам возможность управлять ею мудро. Стык климатических и земных процессов продолжает работать, но теперь он опосредован деятельностью человека, которая может либо ухудшить, либо регенерировать этот жизненно важный ресурс.

Заключение: почва как живой архив

Образование почв - это гораздо больше, чем геологическое любопытство; это непрерывный, динамичный процесс, который отражает историю климата, ландшафта и жизни. Каждый профиль почвы рассказывает историю взаимодействия между температурой, осадками, материнской породой, склоном, организмами и течением времени. Поскольку мы сталкиваемся с глобальными проблемами продовольственной безопасности, качества воды и изменения климата, понимание формирования почвы становится не просто академическим, но и существенным. Уважая медленные темпы, с которыми почвы развиваются - и мощные силы, которые их формируют - мы можем принять практики управления, которые сохраняют и усиливают этот тонкий, драгоценный слой для будущих поколений. Для тех, кто хочет узнать больше о почвоведении, ресурсы, такие как [FLT: 1] USDA и [FLT: 2] Британника почвоведение вступление [FLT: 3] обеспечивают отличные отправные точки. Дополнительная информация о роли климата доступна с портала [FLT: 4] NOAA Climate.gov, в то время как [FLT: 6]FAO Почвенный портал [FLT: 7] предлагает глобальные перспективы управления почвами и сохранения.