Table of Contents

Образование почв или педогенез является одним из наиболее фундаментальных, но незамеченных процессов, которые формируют физическую географию Земли. Он определяет, где могут расти леса, как вода перемещается по ландшафту и может ли регион поддерживать сельское хозяйство. Каждый участок земли, по которому вы идете, будь то богатое сельскохозяйственное поле, сухое пустынное пространство или скалистый горный склон, рассказывает историю тысячелетнего выветривания, биологической активности и климатических взаимодействий. Понимание того, как формируются почвы, важно для понимания того, как развиваются ландшафты, как функционируют экосистемы и как человеческая деятельность изменяет поверхность планеты.

Что такое почвообразование (педогенез)?

Педогенез — естественный процесс, посредством которого почва развивается из выветрившихся пород и органических материалов с течением времени. Он обусловлен пятью основными факторами, которые взаимодействуют сложными способами: родительский материал, климат, топография, биологическая активность и время. Эти факторы определяют текстуру, структуру почвы, содержание питательных веществ и глубину. Почва не образуется в одночасье; для развития одного дюйма верхнего слоя почвы могут потребоваться столетия, что делает его невозобновляемым ресурсом в человеческих временных масштабах.

Пять факторов формирования почвы

  • Родительский материал: Подстилающая порода или осадок, из которых происходит почва. Это может быть порода (вредная, осадочная или метаморфическая) или неконсолидированные материалы, такие как ледниковая ручья, речной аллювий или ветровая лёсса. Например, почвы, полученные из известняка, как правило, щелочные и богатые кальцием, в то время как почвы из гранита часто являются кислыми и песчаными. Материалы родителей непосредственно влияют на минеральный состав и текстуру почвы.
  • Климат: Температура и осадки являются наиболее мощными факторами выветривания. Теплый, влажный климат ускоряет химическое выветривание и разложение органических веществ, производя глубокие, сильно выщелаченные почвы, такие как оксизолы, обнаруженные в тропических лесах. Холодный, сухой климат замедляет эти процессы, что приводит к тонким, каменистым почвам. Осадки также контролируют выщелачивание - движение растворенных минералов вниз - которые могут создавать различные почвенные горизонты.
  • Топография: Наклон, аспект и возвышение земли влияют на дренаж, эрозию и солнечное воздействие. Степные склоны стимулируют эрозию, предотвращая глубокое накопление почвы, в то время как долинные дно собирают эрозированный материал и часто развивают плодородные, глубокие почвы. Склоны, обращенные на юг в Северном полушарии, получают больше солнечного света и имеют тенденцию быть более сухими и теплыми, чем склоны, обращенные на север, что влияет на влажность почвы и содержание органического вещества.
  • Биологическая активность:] Растения, животные, грибы и микроорганизмы являются активными почвотехниками. Корни деревьев разрушают корень, земляные черви зарываются и аэрируют почву, бактерии разлагают растительный мусор в гумус, а грибы образуют симбиотические отношения с корнями (микоризы), которые усиливают поглощение питательных веществ. Без жизни почва была бы немного больше, чем выветрившаяся каменная пыль. Термиты, муравьи и норы млекопитающих также смешивают слои почвы, процесс, называемый биотурбацией.
  • Время:] Образование почвы — это медленный процесс, который работает на протяжении веков и тысячелетий. Молодые почвы (Entisols) могут показывать небольшое развитие горизонта, в то время как зрелые почвы (например, на древних стабильных ландшафтах) могут иметь глубокие, четко определенные профили. Чем дольше поверхность подвергается воздействию выветривания и биологической активности, тем более развитой становится почва — хотя эрозия или осаждение могут сбросить часы.

Значение почвы в физической географии

Почва находится на пересечении литосферы, атмосферы, гидросферы и биосферы. Она является важнейшим компонентом системы Земли, который влияет на все, от местной гидрологии до глобальных климатических циклов. Роль почвы в физической географии выходит далеко за рамки ее функции как среды для роста растений.

Среда обитания и биоразнообразие

Одна чайная ложка здоровой почвы может содержать миллиарды бактерий, грибов, простейших и микроскопических нематод. Эти организмы образуют сложные пищевые сети, которые циклируют питательные вещества и поддерживают жизнь растений. Крупные животные, такие как родинки, дождевые черви, муравьи и землеройные пчелы, также полагаются на почву в качестве среды обитания. Биоразнообразие почвы поражает — исследования оценивают, что до четверти всех видов на Земле живут в почве, по крайней мере, часть их жизненного цикла. Без почвы целые экосистемы рухнут.

Инфильтрация и удержание воды

Почва действует как гигантская губка, поглощающая осадки, фильтрует её и медленно выпускает в ручьи и грунтовые воды. Текстура и структура почвы определяют, как быстро вода проникает и сколько она может удерживать. Песчаные почвы быстро стекают, приводя к сухим условиям выше и глубокому просачиванию ниже, в то время как глинистые почвы сохраняют воду и могут стать заболоченными. Глинистые почвы достигают баланса, что делает их идеальными для сельского хозяйства. Почва также влияет на риск наводнений: деградированные, уплотнённые почвы увеличивают поверхностный сток и усугубляют наводнение, тогда как здоровые почвы с хорошим содержанием органических веществ могут поглощать сильные дожди.

Питательные велосипеды и хранение углерода

Почва является динамическим резервуаром основных питательных веществ — азота, фосфора, калия, кальция и магния — которые циклически проходят через разложение органических веществ и выветривание минералов. Растения извлекают эти питательные вещества, и когда они умирают, они возвращают их в почву. Этот цикл имеет основополагающее значение для продуктивности земли. Не менее важна роль почвы как поглотителя углерода. Почва содержит больше углерода, чем атмосфера и вся растительная биомасса вместе взятые . Когда почва нарушается в результате обработки почвы или обезлесения, этот углерод выделяется в виде CO2, что способствует изменению климата. Защита углерода почвы является, следовательно, ключевой стратегией для смягчения глобального потепления.

Развитие ландшафта и геоморфология

Образование почв и эрозия тесно связаны с эволюцией рельефов. На склонах холмов ползучесть почвы — медленное движение грунта по склонам — образует мягкие склоны и транспортирует материал к долинам. В засушливых регионах ветровая эрозия удаляет мелкие частицы почвы, оставляя после себя пустынное тротуарное покрытие. В речных долинах отложения наводнений богаты питательными веществами ил (аллювий), строительство пойм и дельт. Тип и глубина почвы влияют на скорость эрозии: тонкие почвы на крутых склонах легко раздеваются, в то время как глубокие, сплоченные почвы дольше сопротивляются эрозии. В течение геологического времени производство почвы и эрозия постепенно стирают горы и заполняют бассейны.

Процессы формирования почв

Почвенное образование протекает через последовательность физических, химических и биологических процессов, которые превращают исходный материал в слоистую, живую среду.Эти процессы работают одновременно и различаются по интенсивности в зависимости от условий окружающей среды.

выветривание

  • Физическое выветривание:] Механическое разрушение пород на более мелкие частицы посредством циклов замораживания-оттаивания, теплового расширения, истирания ветром и водой и корневого заклинивания. Это увеличивает площадь поверхности, делая породу более восприимчивой к химической атаке.
  • Химическое выветривание:] Изменение или растворение минералов в результате реакций с водой, кислородом, углекислым газом и органическими кислотами. Гидролиз (реакция с водой) превращает полевой шпат в глинистые минералы; окисление ржавеет железосодержащие минералы, придавая многим почвам их красные или желтые оттенки; углекислота из растворенного CO2 медленно растворяет известняк.
  • Биологическое выветривание: Живые организмы вносят свой вклад через корневые экссудаты, которые источают минералы хелата, лишайники, которые секретируют кислоты, и зарывания животных, которые приносят свежий родительский материал на поверхность.

Накопление и разложение органической материи

Мертвые листья, корни, останки животных и микробная биомасса накапливаются на поверхности почвы и в почвенном профиле. Разложение бактериями, грибами и детритивами превращает этот органический материал в гумус — темное, стабильное вещество, которое улучшает структуру почвы, удержание воды и способность удерживать питательные вещества. Скорость разложения зависит от температуры и влаги: в тропических лесах органическое вещество быстро разлагается, поэтому мало гумуса накапливается; в холодных болотах разложение медленное, что приводит к густым торфяным отложениям.

Горизонтальное развитие

По мере созревания почвы, она развивает различные горизонтальные слои, называемые почвенными горизонтами. Вместе эти слои образуют профиль почвы. Классическая последовательность включает в себя:

  • O Horizon: Органический слой мусора, частично разложившиеся листья и гумус на поверхности.
  • Горизонт (верхняя часть почвы): Темный, богатый минералами слой, смешанный с органическим веществом; зона большей части биологической активности и роста корней.
  • E Horizon (Eluviation Layer): Слой светлого цвета, из которого выщелачивается глина, железо и органическое вещество (снято) вниз.
  • B Horizon (Недра): Зона иллювиации (накопления), где отложены выщелаченные материалы — глина, оксиды железа, карбонаты. Часто более плотные и богатые цветом, чем горизонт А.
  • C Horizon: Измененный исходный материал, частично разрушенный, но все еще напоминающий исходную породу или осадок.
  • R Horizon: Непогодная порода.

Не все почвы имеют горизонты; молодые почвы могут показывать только горизонты A и C, в то время как тропические почвы с высокой выветриванием могут быть чрезвычайно глубокими с толстыми горизонтами B.

Ловля и иллювация

Выщелачивание — нисходящее движение воды по почве, несущее растворённые ионы и мелкие частицы. В влажном климате интенсивные выщелачивания полос подвижных питательных веществ, таких как кальций, магний и калий, с верхних горизонтов и отложения их ниже по профилю (иллювиация). В засушливом климате ограниченное количество осадков означает меньшее выщелачивание, а соли могут накапливаться вблизи поверхности, образуя испаряющиеся минералы. Баланс между выщелачиванием и иллювиацией во многом определяет плодородие и кислотность почвы.

Виды почв и их географическое распределение

Почва широко варьируется по всему миру из-за различий в исходном материале, климате, растительности и времени. Системы классификации, такие как почва группы почв USDA Soil Taxonomy, делятся на 12 порядков на основе диагностических горизонтов и свойств. Вот некоторые из наиболее распространенных типов почвы и где они встречаются.

Глиняные почвы

Глинистые почвы состоят из очень мелких частиц (менее 0,002 мм), которые плотно упаковываются. Они липкие, когда влажные и твердые, когда сухие, с высокой водоудерживающей способностью, но плохим дренажем. Глинистые почвы часто встречаются в долинах рек, поймах и областях, полученных из сланцевого или вулканического пепла. Они могут быть плодородными, если хорошо управляются, но склонны к уплотнению и медленному потеплению весной.

Сэнди Сойлс

Песчаные почвы имеют грубые частицы, которые быстро стекают и быстро нагреваются весной. Они легко обрабатывать, но имеют низкую питательную ценность и водозадержку, что делает их засухоустойчивыми. Песчаные почвы распространены в прибрежных районах, пустынях и районах с исходным материалом песчаника. Примерами являются песчаные почвы Сахары и Атлантической прибрежной равнины Соединенных Штатов.

Грязные почвы

Гладкие и мучные почвы, с частицами, промежуточными между песком и глиной. Они обладают хорошей водосберегающей способностью и часто очень плодородны, особенно при осаждении реками в виде аллювиума. Лессовые почвы американского Среднего Запада, Китайского плато Лёсс и Аргентинских пампасов являются классическими примерами заболоченных почв, образованных из ветровой пыли. Грязные почвы легко разрушаются ветром и водой, если их оставить незащищенными.

Сладкие почвы

Лоам является идеальной текстурой для сельского хозяйства, так как содержит сбалансированную смесь песка, ила и глины. Он хорошо дренирует, но сохраняет достаточно влаги и питательных веществ для поддержки растений. Лоамские почвы встречаются во многих продуктивных сельскохозяйственных регионах, включая североамериканские прерии, Индо-Гангскую равнину и большую часть Западной Европы. Они представляют собой наиболее широко культивируемые почвы во всем мире.

Хлопковые почвы (гистозолы)

Эти богатые органическими веществами почвы развиваются в заболоченных средах, где разложение происходит медленно. Они темные, губчатые и кислые, состоящие в основном из частично разложившегося растительного вещества (торф. Торфяные почвы встречаются в болотах, фенах и болотах по всей северной Канаде, Скандинавии, Сибири и тропических торфяниках в Юго-Восточной Азии. Они хранят огромное количество углерода, но уязвимы для дренажа и сжигания, что выделяет парниковые газы.

Латеритные почвы (Оксизолы)

В тропических регионах с высоким уровнем осадков и температур интенсивное выветривание и выщелачивание производят глубокие, богатые железом и алюминием почвы, называемые оксисолами или латеритами. Они обычно красные или желтые, с низким уровнем плодородия (большинство питательных веществ были выщелачены) и часто имеют слои затвердевшего железа (плинтит). Эти почвы покрывают большие части бассейна Амазонки, Центральной Африки и Юго-Восточной Азии. Традиционное сельское хозяйство работает с этими почвами, перерабатывая питательные вещества через лесную биомассу.

Влияние человека на формирование почв и географию

Деятельность человека стала мощной геологической силой, изменяющей процессы формирования почв и меняющей ландшафты в глобальном масштабе. Последствия часто отрицательные, ухудшая качество почвы и ускоряя эрозию далеко за пределами естественных темпов.

Сельскохозяйственная практика

Интенсивное сельское хозяйство — монокультурное возделывание, тяжелая обработка почвы и чрезмерное использование синтетических удобрений — нарушает структуру почвы, уменьшает органическое вещество и уплотняет почву. Дождевой перегон разрушает почвенные агрегаты, делая их уязвимыми для ветровой и водной эрозии. Во всем мире, по оценкам, 75 миллиардов тонн почвы эродируются каждый год из сельскохозяйственных земель, скорость в 10-40 раз быстрее, чем естественная почва. Потеря верхнего слоя почвы снижает плодородие и заставляет фермеров полагаться на большее количество удобрений, создавая порочный круг.

Урбанизация и уплотнение почвы

По мере расширения городов почва покрывается непроницаемыми поверхностями, такими как бетон, асфальт и здания — процесс, называемый уплотнением почвы. Это разрушает экологические функции почвы: вода не может проникнуть, что приводит к увеличению стока и городскому наводнению; не добавляется органическое вещество; и биологическое сообщество почвы умирает. Городская экспансия также часто потребляет основные сельскохозяйственные земли, вынуждая производство продуктов питания на более маргинальные почвы.

Вырубка лесов

Очистка лесов для сельского хозяйства, лесозаготовки или застройки удаляет защитный древесный покров и корневые системы, удерживающие почву на месте. На склонах обезлесение ускоряет оползни и эрозию оврагов. В тропических регионах слэш-энд-жженное земледелие добавляет пульс питательных веществ из золы, но эти питательные вещества быстро выщелачиваются или истощаются, оставляя после себя бесплодную почву, которая впоследствии может стать затвердевшим латеритом. Дождевые леса Амазонки потеряли около 17 % своей площади из-за обезлесения, что имеет серьезные последствия для здоровья почвы и региональной гидрологии.

Загрязнение

Промышленные отходы, горные хвосты, тяжелые металлы, пестициды и избыток азота от удобрений загрязняют почвы. Эти загрязнители могут сохраняться в течение десятилетий, отравляя почвенные организмы и делая землю непригодной для сельского хозяйства. Кислотные дожди от промышленных выбросов выщелачивают кальций и магний из почв, повышая кислотность и мобилизуя токсичный алюминий. Городские почвы часто содержат повышенные уровни свинца от исторического использования свинцового бензина и краски.

Изменение климата

Повышение температуры и изменение структуры осадков непосредственно влияют на формирование почвы. Более теплые почвы ускоряют разложение органических веществ, высвобождая углекислый газ. Более интенсивные события осадков увеличивают эрозию, в то время как длительные засухи приводят к опустыниванию и ветровой эрозии. Оттепель вечной мерзлоты в арктических и бореальных регионах подвергает глубокие органические почвы разложению, потенциально высвобождая огромное количество метана и CO2 - петля положительной обратной связи, которая усиливает глобальное потепление.

Сохранение и устойчивая практика

Защита почвы требует перехода от методов управления земельными ресурсами на основе добычи к методам регенерации, которые имитируют естественные процессы. Цель состоит в том, чтобы сохранить здоровье почвы, сохранить ее функции и обеспечить ее способность продолжать поддерживать экосистемы и человеческую цивилизацию.

Вращение и диверсификация культур

Посадка различных культур в последовательности предотвращает истощение определенных питательных веществ, снижает давление вредителей и болезней и улучшает структуру почвы. Включение бобовых (которые фиксируют азот) в ротацию естественным образом восполняет фертильность. Разнообразные корневые системы также вносят больше органического вещества на разных глубинах.

Покрытие

Выращивание покровных культур, таких как рожь, клевер или гречка, в периоды подлива защищает почву от эрозии, подавляет сорняки и добавляет органическое вещество, когда они прекращаются. Покровные культуры также захватывают питательные вещества, которые в противном случае могли бы выщелачиваться, делая их доступными для следующего денежного урожая.

Сокращение посевной площади и безвозводное сельское хозяйство

Минимизация или ликвидация обработки почвы сохраняет структуру почвы, защищает почвенные организмы и снижает эрозию. Бездонное земледелие в сочетании с удержанием остатков может со временем создавать органическое вещество почвы и улучшать инфильтрацию воды. В США посевные площади без дождевых культур увеличились до более чем 35% пахотных земель.

Буферные полосы и прибрежные зоны

Установление полос многолетней растительности — трав, кустарников или деревьев — вдоль водных путей фильтрует осадочные породы, питательные вещества и пестициды, прежде чем они достигнут ручьев. Эти буферы также стабилизируют ручьи и обеспечивают среду обитания диких животных. Они являются экономически эффективным способом защиты как почвы, так и качества воды.

Агролесоводство и силвопастбищный промысел

Интеграция деревьев с культурами или домашним скотом имитирует естественные лесные экосистемы. Корни деревьев связывают почву, улучшают круговороты питательных веществ и обеспечивают тень, которая уменьшает потерю влаги в почве. Силвопастюра - объединение деревьев, пастбищ и пастбищных животных - может улавливать углерод при сохранении продуктивного землепользования.

Тестирование почвы и точное управление

Регулярное тестирование почвы позволяет фермерам применять удобрения и поправки только там, где это необходимо, уменьшая отходы и загрязнение окружающей среды. Точное сельское хозяйство использует GPS и датчики для изменения входов в поле, одновременно оптимизируя здоровье почвы и урожайность сельскохозяйственных культур. Эти технологии помогают предотвратить чрезмерное применение азота и фосфора, которые в противном случае могут стекать в водоемы и вызывать вредные цветения водорослей.

Заключение

Формирование почв — это гораздо больше, чем геологическое любопытство, это основа, на которой покоятся земная жизнь и человеческая цивилизация. Физическая география Земли — ее горы, долины, поймы и пустыни — не может быть понята без учета почв, которые мантийно их мантий. Почва влияет на водные циклы, климат, биоразнообразие и производство продуктов питания, все из которых находятся под растущим давлением человеческой деятельности. Признавая медленную, драгоценную природу формирования почв и принимая методы сохранения, которые строят, а не истощают здоровье почвы, мы можем поддерживать этот важный ресурс для будущих поколений. Здоровье планеты начинается с земли под нашими ногами.