Образование почв, или педогенез, является динамическим процессом, посредством которого поверхностный слой земли развивается через выветривание родительской породы и накопление органического материала. Это сложное взаимодействие физических, химических и биологических факторов формирует различные типы почв, встречающиеся по всей планете, влияя на все, от сельскохозяйственной производительности до здоровья экосистем. Для педагогов, студентов и специалистов по окружающей среде глубокое понимание формирования почв имеет важное значение для понимания того, как функционируют наземные среды, как следует управлять земельными ресурсами и как изменение климата может изменить распределение почвы в ближайшие десятилетия.

Почвы не просто инертная грязь; они живые, дыхательные системы, которые обеспечивают критически важные экосистемные услуги, включая фильтрацию воды, круговороты питательных веществ, хранение углерода и среду обитания для бесчисленных организмов. Изучая факторы, которые контролируют формирование почвы - родительский материал, климат, топография, биологическая активность и время - мы можем предсказать, где будут происходить определенные почвы, как они будут вести себя и какие ограничения они создают для сельского хозяйства или строительства. Эта расширенная статья исследует каждый фактор в глубине, вводит почвенные горизонты и системы классификации, исследует основные типы почв по всему миру и обсуждает насущные проблемы деградации и сохранения почвы.

Педогенезный процесс: обзор

Педогенез начинается с погоды консолидированной породы или неконсолидированных отложений. Выветривание может быть физическим (распад через морозное сужение, тепловое расширение или истирание), химическим (разложение через гидролиз, окисление или растворение) или биологическим (рост корней, зарывание и производство органической кислоты). По мере того, как фрагменты горных пород распадаются на более мелкие частицы, они образуют минеральный скелет почвы.

Одновременно органическое вещество накапливается из остатков растений, животных и микробов. Этот органический материал подвергается гумификации, превращаясь в стабильный гумус, который связывает минеральные частицы, сохраняет влагу и поставляет питательные вещества. Сочетание выветрившихся минералов, органического вещества, воды и воздуха создает пористую, динамическую среду, которую мы называем почвой.

Со временем отдельные слои — так называемые горизонты — развиваются вертикально, придавая почве характерный профиль. Скорость и характер развития горизонта напрямую зависят от пяти почвообразующих факторов, впервые кодифицированных русским педагогом Василием Докучаевым в конце 19 века. Современная почвоведение продолжает строиться на этой основополагающей структуре.

Ключевые факторы, влияющие на формирование почв

Материалы для родителей

Материал-родитель - это геологический материал, из которого развивается почва, и он оказывает мощное влияние на текстуру почвы, минералогию и химические свойства. Он может быть остаточный (погода непосредственно из подстилающей породы) или транспортируемый (движимый водой, ветром, ледниками или гравитацией).

  • Игнеозные и метаморфические породы (например, гранит, базальт, сланец) дают почвы, богатые первичными минералами, такими как кварц, полевые шпаты и микас. Базальт выдерживает относительно быструю погоду, производя плодородные почвы, в то время как гранит медленно выветривается и дает начало песчаным, бедным питательными веществами почвам.
  • Средние породы (например, известняк, песчаник, сланец) производят почвы, которые отражают их состав. Почвы, полученные из известняка, часто являются глинистыми и щелочными; песчаник дает песчаные, кислые почвы; сланцевые погоды в ил- и глинистые почвы.
  • Ледяная дождевая и промывная отложите смесь фрагментов горных пород, песка, ила и глины, создав неоднородные исходные материалы, которые могут производить широкий спектр текстур почвы на коротких расстояниях.
  • Аллювиальные и коллювиальные отложения от рек и холмов доставляют слоистые осадочные породы, часто создавая глубокие, плодородные почвы в поймах.
  • Убыток, ил, выдуваемый ветром, покрывает большие площади на американском Среднем Западе, в Центральной Азии и Китае, образуя толстые, заболоченные почвы, которые являются высокопродуктивными для сельского хозяйства.

Минеральный состав исходного материала определяет присущую почве плодородие. Например, породы, богатые кальцием, магнием и калием, производят почвы с более высоким уровнем насыщения основания, в то время как богатые кварцем исходные материалы дают почвы, которые являются кислыми и с низким содержанием питательных веществ. Понимание исходного материала поэтому имеет решающее значение для прогнозирования поведения почвы и управления применением удобрений.

Климат

Климат широко рассматривается как наиболее влиятельный почвообразующий фактор, особенно в больших географических масштабах.Две основные климатические переменные - температура и осадки , которые контролируют скорость выветривания, разложения органических веществ и выщелачивания.

  • Температура ускоряет химические реакции: на каждые 10°C скорость реакции примерно удваивается.Почвы в тропических и субтропических регионах развиваются быстрее и достигают большей глубины, чем в полярных или альпийских зонах.Высокие температуры также ускоряют микробное разложение органического вещества, поэтому тропические почвы часто имеют тонкие органические слои, несмотря на высокую выработку биомассы.
  • Осадки приводят к выщелачиванию — нисходящему движению воды по почвенному профилю.В влажных климатах растворимые основания (кальций, магний, калий) вымываются из корневой зоны, приводя к кислым, бедным питательными веществами почвам, если они не пополняются свежим исходным материалом или поправкой человека.В засушливых климатах эвапотранспирация превышает осадки, в результате чего соли накапливаются вблизи поверхности, образуя солевые или содовые почвы.

Взаимодействие температуры и осадков определяет основные области почвы. Например, режим влажности udic (влажный, без тяжелых сухих периодов) производит глубоко выветрившиеся Ультизолы и Оксизолы в тропиках.аридный режим (почвы сухие в течение большей части года) приводит к Аридисолам с минимальным развитием горизонта. Роль климата в формировании почвы настолько выражена, что карты почвы часто тесно связаны с климатическими зонами.

топография

Топография — форма, наклон и аспект ландшафта — изменяет влияние климата и родительского материала, влияя на дренаж , эрозию и микроклимат . Ключевые топографические факторы включают:

  • Крутота и длина склона: склоны степеры испытывают больший сток и эрозию, которые могут лишить поверхностный грунт и предотвратить развитие глубокого профиля. Нежные склоны позволяют воде проникать, способствуя более глубокому выветриванию и накоплению органических веществ.
  • Положение на склоне: Вершины и плечевые положения часто эродируют или имеют мелководные почвы; полога и полога получают осадок и влагу, что приводит к более толстым, более развитым профилям. Дренаж также варьируется: хорошо дренированные почвы на выпуклых позициях против плохо дренированных почв в вогнутых впадинах.
  • Аспект : В средних широтах склоны, обращенные к югу (в Северном полушарии), получают больше солнечного излучения, что делает их теплее и суше. Наклоны, обращенные к северу, более прохладные и влажные, что способствует различной растительности и содержанию органического вещества в почве.
  • Местный рельеф: Впадины и свалки собирают воду и органический мусор, создавая водно-болотные угодья или торфяные почвы, в то время как гроты и хребты подвержены засухе и выщелачиванию.

Топографические эффекты наиболее очевидны в ландшафтном масштабе, но они также создают изменчивость почвы в пределах одного поля. Точное земледелие опирается на понимание этих моделей для оптимизации входных данных.

Биологическая активность

Организмы — от бактерий и грибов до дождевых червей, насекомых и корней растений — являются активными агентами в формировании почвы. Их вклад включает:

  • Входные данные органического вещества: Растения вносят помет (листья, стебли, корни), который разлагается на гумус. Корневые экссудаты также способствуют микробной активности и агрегированию образования.
  • Питательные циклы: Микробы минерализуют органический азот, фосфор и сера, делая их доступными для растений. Микороризальные грибы расширяют корневую систему и получают доступ к питательным веществам из минеральной матрицы.
  • Биотурбация: Земные черви, термиты, муравьи и норы млекопитающих смешивают слои почвы, разрушают органические остатки и создают макропоры, которые улучшают аэрацию и инфильтрацию.Чарльз Дарвин подсчитал, что земляные черви поворачивают верхние несколько дюймов почвы каждые несколько лет.
  • Химическое выветривание: Лишайники, мхи и бактерии выделяют органические кислоты, растворяющие минералы. Некоторые бактерии и грибы могут окислять железо или сера, изменяя химию почвы.

Тип растительности также влияет на свойства почвы. Например, лесные почвы обычно имеют выраженный органический слой (O горизонт) и кислые условия из-за хвойного листового подстилки, в то время как лугопастбищные почвы накапливают толстые, темные горизонты, богатые органическим веществом. Деятельность человека - сельское хозяйство, обезлесение, выпас скота - может резко изменить биологические сообщества и тем самым изменить скорость формирования почвы.

Время

Образование почвы - медленный, непрерывный процесс, который разворачивается в течение веков до тысячелетий. Степень развития почвы коррелирует с продолжительностью воздействия других факторов. Почвы на молодых поверхностях (например, недавние ледниковые морены, аллювиальные поймы, вулканические отложения пепла) имеют минимальное очертание, грубые текстуры и высокую минеральную выдержку. Зрелые почвы, напротив, показывают отчетливые горизонты A, B (зона накопления) и C (родительский материал), с выраженной иллювиацией глины, накоплением оксида железа или обогащением карбоната.

Понятие педогенного времени относительно: почва может достичь зрелости через 10 000 лет при теплом, влажном климате, в то время как в засушливых или холодных регионах, одна и та же стадия может потребовать 100 000 лет или более. Время также взаимодействует с изменением климата. Почвы, которые сформировались в более влажные, более теплые периоды голоцена, теперь могут быть реликтовыми и частично изменены текущими условиями. Понимание хронопоследовательности почв разных возрастов, полученных из аналогичного исходного материала, помогает ученым моделировать, как почвы реагируют на изменение окружающей среды.

Горизонты почв и профиль почв

Вертикальное сечение почвы показывает несколько различных горизонтов, в совокупности известных как профиль почвы .

  • O горизонт: Органический слой разложившихся листьев, корней и гумуса.Толстый в лесах и водно-болотных угодьях, тонкий или отсутствующий в культивируемых или засушливых почвах.
  • Горизонт : Почва, обогащенная органическим веществом и биологической активностью. Обычно темнее, чем подстилающие слои. Это зона, где произрастает большинство корней растений.
  • E горизонт: Элувиальный слой; светлая зона максимального выщелачивания, где удаляются глина, железо и органическое вещество.Обычны в кислотных лесных почвах (Сподозолах).
  • B горизонт: Недра; зона накопления (обесцвечивания), где отлагаются материалы, выщелачиваемые из горизонтов А и Е. Могут появляться глиняные пленки, покрытия из оксида железа или конкреции карбоната кальция.
  • C Horizon: Материал, выветрившийся из источников; в основном неконсолидированный, но с минимальным педогенным изменением.
  • Р горизонт: Бедрок; консолидированная скала под почвой.

Например, толстый, темный горизонт А предполагает луга или высокий вход органических веществ; видный горизонт Bt (накопление глины) указывает на иллювиальный перенос глины, распространенный в альфизолах и ультизолах; кальцийный горизонт (накопление CaCO3) указывает на засушливые или полузасушливые условия.

Основные типы почв по всему миру

Системы классификации почв, такие как таксономия почв Министерства сельского хозяйства США и Всемирная справочная база почвенных ресурсов (WRB), групповые почвы на основе диагностических горизонтов, режимов влажности и химических свойств. Ниже приведены двенадцать основных заказов почв из таксономии Министерства сельского хозяйства США, каждый из которых связан с конкретными факторами формирования и географическим распределением:

  • Альфизолы: Умеренно выветрившиеся, плодородные почвы с богатой глиной горизонтом B. Найдены в умеренно влажных и субгумидных регионах (например, Среднем Западе США, Средиземноморье).
  • Андизолы: Почвы, полученные из вулканического пепла, с высокой водонепроницаемостью и содержанием питательных веществ.Обычные в Тихоокеанском огненном кольце, включая Японию, Индонезию и Тихоокеанский северо-запад.
  • Аридисолы: Почвы сухого климата с низким содержанием органических веществ, часто соленые или гипсоцветные. Широко распространены в пустынях Северной Африки, Австралии и американского юго-запада.
  • Энтизолы: Молодые почвы с минимальным развитием горизонта, найденные на недавних аллювиумах, дюнах или крутых склонах.
  • Гелизолы: Почвы с вечной мерзлотой в пределах 2 метров от поверхности, распространённые в тундровых районах Аляски, Канады и Сибири.
  • Гистозоли: Органические почвы (торф, грязь), образующиеся в заболоченных условиях. Найденные в болотах, болотах и торфяниках.
  • Инцептизолы: Умеренно развитые почвы, более зрелые, чем энтизолы, но не имеющие ярко выраженного аргилличного горизонта.Обычны в горных и молодых ландшафтах.
  • Моллизолы: Почвы с толстым, тёмным горизонтом А, богатые органическим веществом и катионами; характерные для лугов (например, Великие равнины США, украинские степи). Высокопродуктивные для сельского хозяйства.
  • Оксизолы: Глубоко выветрившиеся, малоплодородные почвы тропических лесов и саванн, в которых преобладают оксиды железа и алюминия. Обширные в Бразилии, Центральной Африке и Юго-Восточной Азии.
  • Сподозоли: Кислые лесные почвы с спудическим горизонтом (накопление железа + органического вещества). Найдены в прохладном, влажном климате под хвойными лесами (например, северо-восток США, Скандинавия).
  • Ультизолы: Сильно выветрившиеся, кислые, низкоплодородные почвы теплых, влажных регионов с обогащенным глиной горизонтом B. Обычны в юго-восточной части США, южном Китае и тропической Азии.
  • Вертизолы : богатые глиной почвы, которые набухают, когда влажно, и трескаются, когда сухо, встречаются на лугах или сезонно влажных областях с высокой усадкой-набуханием глины (например, Техас, Индия, Судан).

Каждый заказ имеет различные последствия для землепользования. Например, оксизолы требуют интенсивного оплодотворения для сельского хозяйства, в то время как моллизолы являются естественными плодородными и поддерживают высокие урожаи. Понимание классификации почв помогает планировщикам сопоставлять культуры с ограничениями почвы, выбирать строительные материалы и управлять рисками эрозии.

Глобальное распределение почв

Распределение почв не является случайным; оно следует предсказуемым закономерностям, связанным с климатом, исходным материалом и растительностью. В целом почвы можно сгруппировать в глобальные регионы:

  • Тропические почвы: Доминируют оксизолы, ультизолы и некоторые андизолы. Высокие осадки и температуры ускоряют выветривание, производя глубокие, красные, бедные питательными веществами профили. Оборот органического вещества быстрый, поэтому плодородие зависит от непрерывного круговорота питательных веществ.
  • Пустынные почвы: Аридисолы и энтизолы. Скудные осадки ограничивают выветривание, в результате чего образуются тонкие, щелочные, часто соленые профили. Распределение пустынной почвы привязано к субтропическим поясам высокого давления и районам дождевой тени (например, Сахара, Атакама, Гоби).
  • Температурные почвы: Альфизолы, моллизолы и инцептизолы распространены. Умеренные осадки и сезонные температуры поддерживают глубокое выветривание и накопление органических веществ. Эти почвы являются основой мирового производства зерна.
  • Полярные и субполярные почвы: гелизолы и гистозоли. Холодные температуры замедляют выветривание и органическое разложение. Вечная мерзлота ограничивает дренаж, приводя к водно-болотным угодьям и морозостойким узорам (криотурбация).
  • Горные почвы: сильно изменчивы из-за высоты, аспекта и склона. Инцептизолы и энтизолы доминируют на крутых склонах, в то время как альфизолы и сподозоли могут возникать на более мягких лесистых позициях.

Для подробной глобальной карты почв FAO/UNESCO Soil Map of the World предоставляет классическую ссылку.USDA Natural Resources Conservation Service также предлагает интерактивные карты почв и образовательные ресурсы.

Влияние человека и деградация почв

Хотя природные процессы регулируют долгосрочное формирование почвы, деятельность человека может радикально изменить свойства почвы в течение десятилетий или даже лет. Основные формы деградации почвы включают:

  • Эрозия: Водная и ветровая эрозия удаляют верхний слой почвы, уменьшая запасы органических веществ и питательных веществ. По оценкам ISRIC World Soil Information, около 33% глобальных почв деградируют из-за эрозии.
  • Салинизация: Орошение в засушливых районах может концентрировать соли в корневой зоне, делая почвы непригодными для большинства культур. По оценкам, затрагивается 20% орошаемых земель.
  • Подкисление : Чрезмерное использование удобрений на основе аммония и кислотных дождей может снизить рН почвы, вымывая необходимые питательные вещества и мобилизуя токсичный алюминий.
  • Совместимость : Тяжелая техника и интенсивное выпасание сжимают поры почвы, уменьшая инфильтрацию и аэрацию и увеличивая стоки.
  • Загрязнение : Промышленная деятельность, добыча полезных ископаемых и сельскохозяйственные химикаты вводят тяжелые металлы, пестициды и стойкие органические загрязнители, которые наносят вред биоте почвы и пищевым цепям.
  • Исчезновение органических веществ: Непрерывное вспашка и удаление остатков снижают уровень углерода в почве, ослабляя структуру почвы и микробную активность.

Эти изменения могут быть постоянными в масштабе времени человека, обращая вспять столетия естественного почвообразования за несколько десятилетий. Во многих регионах темпы потерь почвы превышают темпы образования почвы, что делает почву невозобновляемым ресурсом на практике. Глобальное почвенное партнерство Организации Объединенных Наций работает над содействием устойчивому управлению почвами и борьбе с деградацией.

Сохранение почв и устойчивое управление

Для защиты почвенных ресурсов требуется сочетание агрономических, растительных и механических методов:

  • Сохранение обработки почвы : Без дождевой обработки или уменьшенной обработки оставляет остатки урожая на поверхности, уменьшая эрозию и строительство органического вещества.
  • Обрезка покрова: Посадка бобовых, трав или брассиков в периоды подлива защищает почву от воздействия дождя, добавляет азот и улучшает структуру.
  • Вращение и диверсификация культур: Вращение глубоко укоренившихся с мелкокорневыми культурами, и в том числе многолетних, поддерживает здоровье почвы и снижает давление вредителей.
  • Контурное земледелие и террасирование: Замедление поверхностного стока на склонах предотвращает эрозию оврагов и сохраняет влагу.
  • Интегрированное управление питательными веществами: Использование органических поправок (компост, навоз) наряду с удобрениями оптимизирует поступление питательных веществ без подкисления.
  • Облесение и агролесоводство: Деревья стабилизируют склоны, перерабатывают питательные вещества с глубоких горизонтов и обеспечивают тень, которая снижает температуру почвы.
  • Управление соленостью : Улучшенный дренаж, солеустойчивые культуры и выщелачивание с водой хорошего качества может восстановить содовые почвы.

Сохранение почв — это не только сельскохозяйственная проблема; это также влияет на качество воды, регулирование климата и биоразнообразие. Например, почвы являются крупнейшим наземным поглотителем углерода, и практика, которая увеличивает органическое хранение углерода, может смягчить изменение климата. Инициатива USDA Soil Health предоставляет основанные на фактических данных руководящие принципы для строительства устойчивых почв.

Заключение

Процесс формирования почвы руководствуется пятью фундаментальными факторами — материалом для родителей, климатом, топографией, биологической активностью и временем, которые вместе определяют тип, глубину, плодородие и распределение почв по планете. Понимание педогенеза позволяет нам интерпретировать историю ландшафта, прогнозировать поведение почвы в изменяющихся условиях окружающей среды и проектировать устойчивые системы землепользования. По мере роста глобального населения и усиления изменения климата потребность в грамотности в почвоведении никогда не была больше. Уважая медленный, деликатный процесс, который создает этот живой ресурс, мы можем гарантировать, что почвы продолжают поддерживать экосистемы, сельское хозяйство и человеческую цивилизацию для будущих поколений.