Почва , также обычно называемая землей или грязью , представляет собой смесь органических веществ , минералов , газов , жидкостей и организмов , которые вместе поддерживают жизнь растений и почвенных организмов . Некоторые научные определения отличают грязь от почвы , ограничивая первый термин конкретно перемещенной почвой.
Почва состоит из твердой фазы минералов и органических веществ (почвенный матрикс), а также пористой фазы, удерживающей газы (атмосфера почвы) и воду (почвенный раствор). [1] [2] Соответственно, почва представляет собой трехсоставную систему твердых тел, жидкостей и газов. [3] Почва является продуктом нескольких факторов: влияния климата , рельефа (высота, ориентация и уклон местности), организмов и исходных материалов почвы (исходных минералов), взаимодействующих с течением времени. [4] Он постоянно подвергается развитию посредством многочисленных физических, химических и биологических процессов, которые включают выветривание и связанную с ним эрозию . [5] Учитывая ее сложность и сильную внутреннюю связь , экологи-почвоведы рассматривают почву как экосистему . [6]
Большинство почв имеют объемную плотность в сухом состоянии (плотность почвы с учетом пустот в сухом состоянии) от 1,1 до 1,6 г/см 3 , хотя плотность частиц почвы гораздо выше - в диапазоне от 2,6 до 2,7 г/см 3 . [7] Лишь немногие почвы планеты Земля старше плейстоцена , и ни одна из них не старше кайнозоя , [8] хотя окаменелые почвы сохранились еще с архейского периода . [9]
В совокупности почвенный массив Земли называется педосферой . Педосфера соприкасается с литосферой , гидросферой , атмосферой и биосферой . [10] Почва выполняет четыре важные функции :
Все эти функции, в свою очередь, изменяют почву и ее свойства.
Почвоведение имеет два основных раздела изучения: эдафологию и почвоведение . Эдафология изучает влияние почв на живые существа. [11] Почвоведение занимается формированием, описанием (морфологией) и классификацией почв в их естественной среде. [12] В инженерном плане почва входит в более широкое понятие реголита , которое также включает в себя другой рыхлый материал, лежащий над коренной породой, который можно найти на Луне и других небесных объектах . [13]
Почва является основным компонентом экосистемы Земли . На экосистемы мира оказывают далеко идущее воздействие процессы, происходящие в почве, последствия которых варьируются от разрушения озонового слоя и глобального потепления до уничтожения тропических лесов и загрязнения воды . Что касается углеродного цикла Земли , почва выступает в качестве важного резервуара углерода [ 14 ] и потенциально является одной из наиболее чувствительных к человеческому вмешательству [15] и изменению климата. [16] Было предсказано, что по мере нагревания планеты почвы будут добавлять углекислый газ в атмосферу из-за увеличения биологической активности при более высоких температурах, что является положительной обратной связью (усиление). [17] Однако этот прогноз был поставлен под сомнение с учетом более поздних знаний об круговороте углерода в почве . [18]
Почва действует как инженерная среда, среда обитания почвенных организмов , система переработки питательных веществ и органических отходов , регулятор качества воды , модификатор состава атмосферы и среда для роста растений , что делает ее критически важным поставщиком экосистемных услуг . . [19] Поскольку почва имеет огромный диапазон доступных ниш и сред обитания , она содержит значительную часть генетического разнообразия Земли . Грамм почвы может содержать миллиарды организмов, принадлежащих к тысячам видов, в основном микробных и по большей части еще неизученных. [20] [21] Почва имеет среднюю плотность прокариот примерно 10 8 организмов на грамм, [22] тогда как в океане содержится не более 10 7 прокариотических организмов на миллилитр (грамм) морской воды. [23] Органический углерод, содержащийся в почве , в конечном итоге возвращается в атмосферу в процессе дыхания гетеротрофных организмов, но значительная его часть сохраняется в почве в виде почвенного органического вещества; обработка почвы обычно увеличивает скорость дыхания почвы , что приводит к истощению органического вещества почвы. [24] Поскольку корням растений необходим кислород, аэрация является важной характеристикой почвы. Эту вентиляцию можно осуществить через сеть взаимосвязанных почвенных пор , которые также поглощают и удерживают дождевую воду, делая ее доступной для поглощения растениями. Поскольку растениям требуется почти постоянное снабжение водой, но в большинстве регионов осадки выпадают спорадически, водоудерживающая способность почв жизненно важна для выживания растений. [25]
Почвы могут эффективно удалять примеси, [26] убивать возбудителей болезней, [27] и разлагать загрязняющие вещества , причем последнее свойство называется естественным ослаблением . [28] Как правило, почвы сохраняют чистое поглощение кислорода и метана и подвергаются чистому выделению углекислого газа и закиси азота . [29] Почвы обеспечивают растениям физическую поддержку, воздух, воду, умеренную температуру, питательные вещества и защиту от токсинов. [30] Почвы обеспечивают растения и животных легкодоступными питательными веществами путем преобразования мертвого органического вещества в различные питательные формы. [31]
Компоненты пылеватой суглинистой почвы в процентах по объему
Типичная почва содержит около 50% твердых веществ (45% минеральных и 5% органических веществ) и 50% пустот (или пор), из которых половина занята водой, а половина - газом. [32] Процентное содержание минеральных и органических веществ в почве можно рассматривать как константу (в краткосрочной перспективе), в то время как процентное содержание воды и газа в почве считается весьма изменчивым, при этом повышение одного из них одновременно уравновешивается снижением другого. [33] Поровое пространство обеспечивает проникновение и движение воздуха и воды, которые имеют решающее значение для жизни, существующей в почве. [34] Уплотнение , распространенная проблема с почвами, уменьшает это пространство, предотвращая попадание воздуха и воды в корни растений и почвенные организмы. [35]
При наличии достаточного времени недифференцированная почва разовьет почвенный профиль , состоящий из двух или более слоев, называемых почвенными горизонтами. Они различаются одним или несколькими свойствами, такими как текстура , структура , плотность , пористость, консистенция, температура, цвет и реакционная способность . [8] Горизонты сильно различаются по мощности и, как правило, не имеют резких границ; их развитие зависит от типа исходного материала , процессов, которые изменяют эти исходные материалы, и почвообразующих факторов, влияющих на эти процессы. Биологические воздействия на свойства почв наиболее сильны вблизи поверхности, хотя геохимические влияния на свойства почв усиливаются с глубиной. Профили зрелой почвы обычно включают три основных основных горизонта: A, B и C. В состав раствора обычно входят горизонты A и B. Живой компонент почвы в основном приурочен к солюму и обычно более выражен в горизонте А. [36] Было высказано предположение, что педон , столб почвы, простирающийся вертикально от поверхности до нижележащего исходного материала и достаточно большой, чтобы показать характеристики всех его горизонтов, может быть подразделен на хумидон ( живую часть, где находится большая часть обитают почвенные организмы, соответствующие гумусной форме ), копедон (в промежуточном положении, где происходит наибольшее выветривание минералов) и литопедон (в контакте с недрами). [37]
Текстура почвы определяется относительными пропорциями отдельных частиц песка , ила и глины , составляющих почву.
Взаимодействие отдельных минеральных частиц с органическим веществом, водой, газами посредством биотических и абиотических процессов приводит к флокуляции (склеиванию) этих частиц с образованием агрегатов или пед . [38] Если эти агрегаты можно идентифицировать, можно сказать, что почва развита, и ее можно дополнительно описать с точки зрения цвета, пористости, консистенции, реакции ( кислотности ) и т. д.
Вода является важнейшим агентом в развитии почвы, поскольку она участвует в растворении, осаждении, эрозии, транспортировке и отложении материалов, из которых состоит почва. [39] Смесь воды и растворенных или взвешенных веществ, занимающих поровое пространство почвы , называется почвенным раствором. Поскольку почвенная вода никогда не является чистой водой, а содержит сотни растворенных органических и минеральных веществ, ее правильнее назвать почвенным раствором. Вода играет центральную роль в растворении , осаждении и выщелачивании минералов из почвенного профиля . Наконец, вода влияет на тип растительности, растущей в почве, что, в свою очередь, влияет на развитие почвы. Это сложная обратная связь, примером которой является динамика полосчатой растительности в полузасушливых регионах. [40]
Почвы снабжают растения питательными веществами , большая часть которых удерживается частицами глины и органического вещества ( коллоидами ) [41]. Питательные вещества могут адсорбироваться на глинистых минеральных поверхностях, связываться с глинистыми минералами ( абсорбироваться ) или связываться с органическими соединениями в виде часть живых организмов или мертвое органическое вещество почвы. Эти связанные питательные вещества взаимодействуют с почвенной водой, буферизуя состав почвенного раствора (смягчая изменения в почвенном растворе) при намокании или высыхании почвы, при поглощении растениями питательных веществ, при выщелачивании солей или при добавлении кислот или щелочей. [42]
На доступность питательных веществ для растений влияет pH почвы , который является мерой активности ионов водорода в почвенном растворе. pH почвы является функцией многих почвообразующих факторов и обычно ниже (более кислый) там, где выветривание более развито. [43]
Большинство питательных веществ для растений, за исключением азота , происходят из минералов, входящих в состав исходного материала почвы. Некоторое количество азота поступает из дождя в виде разбавленной азотной кислоты и аммиака , [44] , но большая часть азота поступает в почву в результате фиксации азота бактериями . Попадая в систему почва-растение, большинство питательных веществ перерабатываются через живые организмы, растительные и микробные остатки (органическое вещество почвы), минерально-связанные формы и почвенный раствор. Как живые почвенные организмы (микробы, животные и корни растений), так и органические вещества почвы имеют решающее значение для этой переработки и, следовательно, для почвообразования и плодородия почвы . [45] Микробные почвенные ферменты могут выделять питательные вещества из минералов или органических веществ для использования растениями и другими микроорганизмами, изолировать (включать) их в живые клетки или вызывать их потерю из почвы в результате улетучивания (потери в атмосферу в виде газов) или выщелачивания. . [46]
Считается, что почва образуется, когда органическое вещество накапливается и коллоиды смываются вниз, оставляя отложения глины, гумуса , оксида железа , карбоната и гипса , образуя отчетливый слой, называемый горизонтом B. Это несколько произвольное определение, поскольку до этого времени смеси песка, ила, глины и перегноя будут поддерживать биологическую и сельскохозяйственную деятельность. [47] Эти компоненты перемещаются с одного уровня на другой под действием воды и деятельности животных. В результате в почвенном профиле образуются слои (горизонты). Изменение и перемещение веществ внутри почвы приводит к образованию своеобразных почвенных горизонтов . Однако более поздние определения почвы охватывают почвы без какого-либо органического вещества, такие как те реголиты , которые образовались на Марсе [48] и аналогичные условия в пустынях планеты Земля. [49]
Пример развития почвы может начаться с выветривания коренных пород потока лавы, в результате которого образуется исходный материал на чисто минеральной основе, из которого формируется текстура почвы. Развитие почвы будет происходить быстрее всего на обнаженных скалах недавних потоков в теплом климате, под обильными и частыми дождями. В таких условиях растения (на первой стадии азотфиксирующие лишайники и цианобактерии , затем эпилитные высшие растения ) очень быстро приживаются на базальтовой лаве, хотя органического материала очень мало. [50] Согласно ряду растворения Гольдича , базальтовые минералы обычно выветриваются относительно быстро . [51] Растения поддерживаются пористой породой, поскольку она наполнена питательной водой, которая переносит минералы, растворенные в камнях. Трещины и карманы, местный рельеф скал, будут содержать мелкие материалы и корни растений. Развивающиеся корни растений связаны с микоризными грибами , выветривающими минералы [52] , которые помогают разрушать пористую лаву, и посредством этого со временем накапливаются органические вещества и более мелкая минеральная почва. Такие начальные стадии развития почв описаны на вулканах, [53] инзельбергах, [54] и ледниковых моренах. [55]
На то, как протекает почвообразование, влияют по крайней мере пять классических факторов, которые переплетаются в эволюции почвы: материнский материал, климат, топография (рельеф), организмы и время. [56] При переупорядочении на климат, рельеф, организмы, исходный материал и время они образуют аббревиатуру CROPT. [57]
Физическими свойствами почв, в порядке убывания их важности для экосистемных услуг, таких как растениеводство , являются текстура , структура , объемная плотность , пористость , консистенция, температура , цвет и удельное сопротивление. [58] Текстура почвы определяется относительным соотношением трех видов почвенных минеральных частиц, называемых почвенными сепараторами: песка , ила и глины . В следующем более крупном масштабе почвенные структуры, называемые педами или, чаще, почвенными агрегатами , создаются из отделения почвы, когда оксиды железа , карбонаты , глина, кремнезем и гумус покрывают частицы и заставляют их слипаться в более крупные, относительно стабильные вторичные структуры. [59] Объемная плотность почвы , определяемая при стандартизированных условиях влажности, является оценкой уплотнения почвы . [60] Пористость почвы состоит из пустотной части объема почвы и занята газами или водой. Консистенция почвы – это способность почвенных материалов слипаться. Температура и цвет почвы определяются самостоятельно. Сопротивление относится к сопротивлению проводимости электрических токов и влияет на скорость коррозии металлических и бетонных конструкций, зарытых в почве. [61] Эти свойства изменяются в зависимости от глубины почвенного профиля, то есть через почвенные горизонты . Большинство из этих свойств определяют аэрацию почвы и способность воды проникать и удерживаться в почве. [62]
Содержание влаги в почве можно измерить как по объему, так и по весу . Уровни влажности почвы в порядке убывания содержания воды включают в себя насыщенность, полевые свойства , точку увядания , воздушную и духовую сушку. Емкость поля описывает дренированную влажную почву в момент, когда содержание воды достигает равновесия с силой тяжести. Орошение почвы, превышающее вместимость поля, может привести к потерям за счет просачивания. Точка увядания описывает предел засухи для выращивания растений. В течение вегетационного периода на влажность почвы не влияют функциональные группы или видовое богатство. [63]
Доступная водная емкость — это количество воды, удерживаемой в профиле почвы, доступной растениям. Когда содержание воды падает, растениям приходится бороться с возрастающими силами адгезии и сорбционной способности , чтобы забрать воду. Планирование орошения позволяет избежать дефицита влаги за счет пополнения истощенной воды до того, как возникнет стресс. [64] [65]
Капиллярное действие отвечает за перемещение грунтовых вод из влажных участков почвы в засушливые. Конструкции суборошения (например, впитывающие грядки , горшки с автополивом ) основаны на капиллярности для подачи воды к корням растений. Капиллярное действие может привести к концентрации солей в результате испарения, вызывая деградацию земель из-за засоления .
Измерение влажности почвы — измерение содержания воды в почве, которое может быть выражено в единицах объема или веса — может быть основано на зондах in situ (например, емкостных зондах , нейтронных зондах ) или на методах дистанционного зондирования . Измерение влажности почвы является важным фактором определения изменений в активности почвы. [63]
Атмосфера почвы, или почвенный газ , сильно отличается от атмосферы выше. Потребление кислорода микробами и корнями растений и выделение ими углекислого газа снижает концентрацию кислорода и увеличивает концентрацию углекислого газа. Концентрация CO 2 в атмосфере составляет 0,04%, но в поровом пространстве почвы она может превышать этот уровень в 10–100 раз, что потенциально способствует угнетению корневого дыхания. [66] Известковые почвы регулируют концентрацию CO 2 за счет карбонатной буферности , в отличие от кислых почв, в которых весь вдыхаемый CO 2 накапливается в системе пор почвы. [67] В экстремальных концентрациях CO 2 токсичен. [68] Это предполагает возможный контроль концентрации CO 2 в почве с помощью отрицательной обратной связи посредством его ингибирующего воздействия на корневое и микробное дыхание (также называемое дыханием почвы ). [69] Кроме того, почвенные пустоты насыщаются водяным паром, по крайней мере, до точки максимальной гигроскопичности , за которой в поровом пространстве почвы возникает дефицит давления пара . [34] Необходима достаточная пористость не только для проникновения воды, но и для диффузии газов внутрь и наружу. Движение газов происходит путем диффузии от высоких концентраций к более низким, причем коэффициент диффузии уменьшается по мере уплотнения почвы . [70] Кислород из атмосферы диффундирует в почву, где он потребляется, а уровень углекислого газа, превышающий уровень над атмосферой, диффундирует вместе с другими газами (включая парниковые газы ), а также с водой. [71] Текстура и структура почвы сильно влияют на пористость почвы и диффузию газа. Именно общее поровое пространство ( пористость ) почвы, а не размер пор и степень их взаимодействия (или, наоборот, уплотнения пор), вместе с содержанием воды, турбулентностью воздуха и температурой, определяют скорость диффузии газов в и из почвы. [72] [71] Пластинчатая структура почвы и уплотнение почвы (низкая пористость) препятствуют потоку газа, а дефицит кислорода может стимулировать анаэробные бактерии восстанавливать (удалять кислород) нитрат NO 3 до газов N 2 , N 2 O и NO, которые затем теряются в атмосфере, тем самым истощая почву азота, этот пагубный процесс называется денитрификацией . [73] Аэрированная почва также является чистым поглотителем метана (CH 4 ) [74], но чистым производителем метана (сильного теплопоглощающего парникового газа ), когда почвы обеднены кислородом и подвергаются повышенным температурам. [75]
Почвенная атмосфера также является источником выбросов летучих веществ , отличных от оксидов углерода и азота, от различных почвенных организмов, например, корней, [76] бактерий, [77] грибов, [78] животных. [79] Эти летучие вещества используются в качестве химических сигналов, превращая почвенную атмосферу в место взаимодействия сетей [80] [81] , играющих решающую роль в стабильности, динамике и эволюции почвенных экосистем. [82] Биогенные почвенные летучие органические соединения обмениваются с надземной атмосферой, в которой их содержание всего на 1–2 порядка ниже, чем у надземной растительности. [83]
Люди могут получить некоторое представление о почвенной атмосфере по хорошо известному запаху «после дождя», когда просачивающаяся дождевая вода смывает всю почвенную атмосферу после периода засухи или когда почву выкапывают, [84] это объемное свойство, приписываемое редукционистским способом к конкретным биохимическим соединениям, таким как петрикор или геосмин .
Частицы почвы можно классифицировать по химическому составу ( минералогии ), а также по размеру. Распределение частиц почвы по размерам , ее текстура определяют многие свойства этой почвы, в частности гидравлическую проводимость и водный потенциал [85] , но минералогия этих частиц может сильно изменить эти свойства. Особенно важна минералогия мельчайших частиц почвы — глины. [86]
В почве обитает большое количество микробов , животных , растений и грибов . Однако биоразнообразие почвы изучать гораздо сложнее, поскольку большая часть этой жизни невидима, поэтому оценки биоразнообразия почвы оказались неудовлетворительными. Недавнее исследование показало, что почва, вероятно, является домом для 59 ± 15% видов на Земле. Enchytraeidae (черви) имеют наибольший процент видов в почве (98,6%), за ними следуют грибы (90%), растения (85,5%) и термиты ( Isoptera ) (84,2%). Во многих других группах животных значительная часть видов обитает в почве, например, около 30% насекомых и около 50% паукообразных . [87] Хотя большинство позвоночных животных живут над землей (игнорируя водные виды), многие виды являются ископаемыми , то есть живут в почве, например, большинство слепых змей .
Химический состав почвы определяет ее способность поставлять доступные питательные вещества растениям и влияет на ее физические свойства и здоровье живого населения. Кроме того, химический состав почвы также определяет ее коррозионную активность , стабильность и способность поглощать загрязняющие вещества и фильтровать воду. Именно химия поверхности минеральных и органических коллоидов определяет химические свойства почвы. [88] Коллоид — это небольшая нерастворимая частица размером от 1 нанометра до 1 микрометра , поэтому она достаточно мала, чтобы оставаться во взвешенном состоянии в результате броуновского движения в жидкой среде без осаждения. [89] Большинство почв содержат органические коллоидные частицы, называемые гумусом , а также неорганические коллоидные частицы глин . Очень высокая удельная поверхность коллоидов и их суммарные электрические заряды придают почве способность удерживать и выделять ионы . Отрицательно заряженные участки коллоидов притягивают и высвобождают катионы , что называется катионным обменом . Катионообменная емкость — количество обменных катионов на единицу массы сухой почвы и выражается в миллиэквивалентах положительно заряженных ионов на 100 г почвы (или сантимолях положительного заряда на килограмм почвы; смоль с /кг). Точно так же положительно заряженные участки на коллоидах могут притягивать и выделять анионы в почве, придавая почве анионообменную способность.
Катионный обмен, происходящий между коллоидами и почвенной водой, буферизует (умеряет) pH почвы, изменяет структуру почвы и очищает просачивающуюся воду, адсорбируя катионы всех типов, как полезные, так и вредные.
Отрицательные или положительные заряды коллоидных частиц позволяют им удерживать катионы или анионы соответственно на своей поверхности. Обвинения выдвигаются из четырех источников. [90]
Катионы, удерживаемые отрицательно заряженными коллоидами, сопротивляются вымыванию водой вниз и находятся вне досягаемости корней растений, тем самым сохраняя плодородие почвы в районах с умеренными осадками и низкими температурами. [95] [96]
В процессе катионного обмена на коллоидах существует иерархия, так как катионы различаются по силе адсорбции коллоидом и, следовательно, по способности замещать друг друга ( ионный обмен ). Если они присутствуют в равных количествах в водном растворе почвы:
Al 3+ заменяет H + заменяет Ca 2+ заменяет Mg 2+ заменяет K + то же, что и NH+
4заменяет Na + [97]
Если один катион добавлен в больших количествах, он может заменить другие просто за счет своей численности. Это называется законом действия масс . Во многом это происходит при добавлении катионных удобрений ( калийных удобрений , извести ). [98]
Когда почвенный раствор становится более кислым (низкий pH , что означает обилие H + ), другие катионы, более слабо связанные с коллоидами, выталкиваются в раствор, поскольку ионы водорода занимают места обмена ( протонирование ). Низкий pH может привести к переходу водорода гидроксильных групп в раствор, в результате чего заряженные участки в коллоиде могут быть заняты другими катионами. Эта ионизация гидроксильных групп на поверхности почвенных коллоидов создает так называемые pH-зависимые поверхностные заряды. [99] В отличие от постоянных зарядов, возникающих в результате изоморфного замещения , заряды, зависящие от pH, являются переменными и увеличиваются с увеличением pH. [100] Освобожденные катионы могут быть доступны растениям, но они также склонны к выщелачиванию из почвы, что может сделать почву менее плодородной. [101] Растения способны выделять H + в почву посредством синтеза органических кислот и тем самым изменять pH почвы возле корня и выталкивать катионы из коллоидов, делая их доступными для растения. [102]
Катионообменная емкость — это способность почвы удалять катионы из почвенного водного раствора и изолировать те, которые будут заменены позже, когда корни растений выделяют ионы водорода в раствор. [103] ЕКО представляет собой количество обменного катиона водорода (H + ), которое связывается со 100 граммами сухой массы почвы и мера которого составляет один миллиэквивалент на 100 грамм почвы (1 мэкв/100 г). Ионы водорода имеют один заряд, и одна тысячная грамма ионов водорода на 100 граммов сухой почвы дает меру одного миллиэквивалента иона водорода. Кальций, атомный вес которого в 40 раз превышает атомный вес водорода, и с валентностью, равной двум, превращается в (40 ÷ 2) × 1 миллиэквивалент = 20 миллиэквивалентов ионов водорода на 100 граммов сухой почвы или 20 мэкв/100 г. [104] Современная мера CEC выражается в сантимолях положительного заряда на килограмм (смоль/кг) сухой в духовке почвы.
Большая часть CEC почвы приходится на глинистые и гумусовые коллоиды, а отсутствие таковых в жарком, влажном и влажном климате (например, влажных тропических лесах ) из-за выщелачивания и разложения соответственно объясняет кажущуюся стерильность тропических почв. [105] Корни живых растений также имеют некоторое количество CEC, связанное с их удельной площадью поверхности. [106]
Анионообменная способность — это способность почвы удалять анионы (такие как нитраты , фосфаты ) из почвенного водного раствора и изолировать их для последующего обмена, поскольку корни растений выделяют карбонатные анионы в водный раствор почвы. [108] Те коллоиды, которые имеют низкий CEC, как правило, имеют некоторое AEC. Аморфные и полуторные глины имеют самый высокий AEC [109] , за ними следуют оксиды железа. [110] Уровни AEC намного ниже, чем для CEC, из-за, как правило, более высокого уровня положительно (а не отрицательно) заряженных поверхностей на почвенных коллоидах, за исключением почв с переменным зарядом. [111] Фосфаты, как правило, удерживаются на анионообменных сайтах. [112]
Глины гидроксида железа и алюминия способны обменивать свои гидроксид-анионы (OH - ) на другие анионы. [108] Порядок, отражающий силу анионной адгезии, следующий:
Количество обменных анионов составляет от десятых долей до нескольких миллиэквивалентов на 100 г сухой почвы. [107] По мере повышения pH появляется относительно больше гидроксилов, которые вытесняют анионы из коллоидов и вытесняют их в раствор и из хранилища; следовательно, AEC уменьшается с увеличением pH (щелочности). [113]
Реактивность почвы выражается через pH и является мерой кислотности или щелочности почвы . Точнее, это мера концентрации гидроксония в водном растворе, которая находится в диапазоне значений от 0 до 14 (от кислой до основной), но практически говоря о почвах, pH колеблется от 3,5 до 9,5, поскольку значения pH за пределами этих крайних значений токсичны для жизни. формы. [114]
При 25 °C водный раствор с pH 3,5 содержит 10 -3,5 моль H 3 O + (ионы гидроксония) на литр раствора (а также 10 -10,5 моль на литр OH - ). pH 7, определяемый как нейтральный, содержит 10 -7 молей ионов гидроксония на литр раствора, а также 10 -7 молей OH - на литр; поскольку две концентрации равны, говорят, что они нейтрализуют друг друга. При pH 9,5 имеется 10 -9,5 молей ионов гидроксония на литр раствора (а также 10 -2,5 молей на литр OH - ). При pH 3,5 в миллион раз больше ионов гидроксония на литр, чем в растворе с pH 9,5 ( 9,5–3,5 = 6 или 10 6 ), и он более кислый. [115]
Влияние pH на почву заключается в удалении из почвы или предоставлении доступа к определенным ионам. Почвы с высокой кислотностью, как правило, содержат токсичные количества алюминия и марганца . [116] В результате компромисса между токсичностью и потребностью большинство питательных веществ лучше доступны растениям при умеренном pH, [117] хотя большинство минералов более растворимы в кислых почвах. Почвенным организмам препятствует высокая кислотность, и большинство сельскохозяйственных культур лучше всего растут на минеральных почвах с pH 6,5 и органических почвах с pH 5,5. [118] Учитывая, что при низком pH токсичные металлы (например, кадмий, цинк, свинец) имеют положительный заряд в виде катионов, а органические загрязнители находятся в неионной форме, и, таким образом, оба они становятся более доступными для организмов, [119] [120] было предположил, что растения, животные и микробы, обычно обитающие в кислых почвах, заранее адаптированы к любому виду загрязнения, как природного, так и антропогенного происхождения. [121]
В районах с большим количеством осадков почвы имеют тенденцию к подкислению, поскольку основные катионы вытесняются из почвенных коллоидов в результате массового воздействия ионов гидроксония из-за обычной или необычной кислотности дождя на катионы, прикрепленные к коллоидам. Высокая интенсивность осадков может затем вымывать питательные вещества, оставляя почву населенной только теми организмами, которые особенно эффективно усваивают питательные вещества в очень кислых условиях, например, в тропических лесах . [122] Как только коллоиды насыщаются H 3 O + , добавление дополнительных ионов гидроксония или гидроксильных катионов алюминия приводит к еще большему снижению pH (более кислому), поскольку почва остается без буферной способности. [123] В районах с сильными дождями и высокими температурами глина и гумус могут вымываться, что еще больше снижает буферную способность почвы. [124] В районах с небольшим количеством осадков невыщелоченный кальций повышает pH до 8,5, а с добавлением обменного натрия pH почвы может достигать 10. [125] При pH выше 9 рост растений замедляется. [126] Высокий уровень pH приводит к низкой подвижности микроэлементов , но водорастворимые хелаты этих питательных веществ могут восполнить дефицит. [127] Содержание натрия можно снизить путем добавления гипса (сульфата кальция), поскольку кальций прилипает к глине более плотно, чем натрий, в результате чего натрий попадает в водный раствор почвы, где он может быть вымыт большим количеством воды. [128] [129]
Существуют катионы, образующие кислоты (например, гидроксоний, алюминий, железо), и катионы, образующие основания (например, кальций, магний, натрий). Доля отрицательно заряженных коллоидных обменных центров почвы (CEC), занятых катионами, образующими основания, называется насыщением оснований . Если почва имеет ЕКО 20 мэкв и 5 мэкв составляют катионы алюминия и гидроксония (кислотообразующие), то остальные позиции в коллоидах ( 20 - 5 = 15 мэкв ) считаются занятыми катионами, образующими основания, так что насыщенность основаниями составляет 15 ÷ 20 × 100 % = 75 % (дополнение 25 % предполагается кислотообразующими катионами). Насыщенность основаниями практически прямо пропорциональна pH (она увеличивается с увеличением pH). [130] Его можно использовать при расчете количества извести, необходимого для нейтрализации кислой почвы (потребность в извести). Количество извести, необходимое для нейтрализации почвы, должно учитывать количество кислотообразующих ионов в коллоидах (обменная кислотность), а не только в водном растворе почвы (свободная кислотность). [131] Добавление достаточного количества извести для нейтрализации водного раствора почвы будет недостаточным для изменения pH, поскольку кислотообразующие катионы, хранящиеся в коллоидах почвы, будут иметь тенденцию восстанавливать исходное состояние pH, поскольку они выталкиваются из этих коллоидов кальцием. добавленной извести. [132]
Устойчивость почвы к изменению pH в результате добавления кислоты или основного вещества является мерой буферной способности почвы и (для конкретного типа почвы) увеличивается с увеличением CEC. Следовательно, чистый песок почти не обладает буферной способностью, хотя почвы с высоким содержанием коллоидов (минеральных или органических) обладают высокой буферной способностью . [133] Буферизация происходит за счет катионного обмена и нейтрализации . Однако коллоиды — не единственные регуляторы pH почвы. Следует также подчеркнуть роль карбонатов . [134] В более общем смысле, в зависимости от уровня pH несколько буферных систем имеют приоритет друг над другом, от диапазона буфера карбоната кальция до диапазона буфера железа. [135]
Добавление небольшого количества высокоосновного водного аммиака в почву приведет к вытеснению аммонием ионов гидроксония из коллоидов, а конечным продуктом будет вода и коллоидно-связанный аммоний, но в целом постоянное изменение pH почвы будет незначительным.
Добавление небольшого количества извести Ca(OH) 2 вытесняет ионы гидроксония из коллоидов почвы, вызывая фиксацию кальция в коллоидах и выделение CO 2 и воды с небольшим постоянным изменением pH почвы.
Выше приведены примеры буферизации pH почвы. Общий принцип заключается в том, что увеличение содержания определенного катиона в водном растворе почвы приведет к тому, что этот катион будет зафиксирован в коллоидах (забуферен), а уменьшение содержания этого катиона в растворе приведет к его извлечению из коллоида и переходу в раствор ( буферизованный). Степень буферности часто связана с ЕКО почвы; чем больше ЕКО, тем больше буферная способность почвы. [136]
Химические реакции в почве включают некоторую комбинацию переноса протонов и электронов. Окисление происходит, если в процессе переноса происходит потеря электронов, а восстановление происходит, если происходит прирост электронов. Восстановительный потенциал измеряется в вольтах или милливольтах. Почвенные микробные сообщества развиваются вдоль цепей переноса электронов , образуя электропроводящие биопленки и развивая сети бактериальных нанопроволок .
Редокс-факторы в развитии почвы, при которых формирование редоксиморфных цветовых особенностей дает важную информацию для интерпретации почвы. Понимание окислительно-восстановительного градиента важно для управления секвестрацией углерода, биоремедиацией, разграничением водно-болотных угодий и почвенными микробными топливными элементами .
Семнадцать элементов или питательных веществ необходимы для роста и размножения растений. Это углерод (C), водород (H), кислород (O), азот (N), фосфор (P), калий (K), сера (S), кальций (Ca), магний (Mg), железо (Fe). ), бор (B), марганец (Mn), медь (Cu), цинк (Zn), молибден (Mo), никель (Ni) и хлор (Cl). [138] [139] [140] Питательные вещества, необходимые растениям для завершения жизненного цикла, считаются незаменимыми питательными веществами . Питательные вещества, которые ускоряют рост растений, но не являются необходимыми для завершения жизненного цикла растения, считаются второстепенными. За исключением углерода, водорода и кислорода, которые поступают с углекислым газом и водой, а также азота, получаемого за счет азотфиксации [140] , питательные вещества первоначально происходят из минерального компонента почвы. Закон минимума гласит, что, когда доступная форма питательного вещества не содержится в почвенном растворе в достаточной пропорции, другие питательные вещества не могут усваиваться растением с оптимальной скоростью. [141] Таким образом, для оптимизации роста растений необходимо определенное соотношение питательных веществ в почвенном растворе, значение которого может отличаться от соотношений питательных веществ, рассчитанных на основе состава растений. [142]
Поглощение растениями питательных веществ может происходить только тогда, когда они присутствуют в доступной для растений форме. В большинстве ситуаций питательные вещества поглощаются в ионной форме из почвенной воды (или вместе с ней). Хотя минералы являются источником большинства питательных веществ, а основная часть большинства питательных элементов в почве содержится в кристаллической форме в составе первичных и вторичных минералов , они выветриваются слишком медленно, чтобы поддерживать быстрый рост растений. Например, внесение в почву мелкоизмельченных минералов, полевого шпата и апатита , редко обеспечивает необходимое количество калия и фосфора в количестве, достаточном для хорошего роста растений, поскольку большая часть питательных веществ остается связанной в кристаллах этих минералов. [143]
Питательные вещества, адсорбированные на поверхности глинистых коллоидов и органического вещества почвы, обеспечивают более доступный резервуар для многих питательных веществ растений (например, K, Ca, Mg, P, Zn). Поскольку растения поглощают питательные вещества из почвенной воды, растворимый пул пополняется из поверхностного пула. Разложение органического вещества почвы микроорганизмами является еще одним механизмом пополнения растворимых запасов питательных веществ – это важно для снабжения растений доступными N, S, P и B из почвы. [144]
Грамм на грамм, способность гумуса удерживать питательные вещества и воду намного выше, чем у глинистых минералов, большая часть катионообменной способности почвы обусловлена заряженными карбоксильными группами органических веществ. [145] Однако, несмотря на большую способность гумуса удерживать воду после намокания, его высокая гидрофобность снижает его смачиваемость после высыхания. [146] В целом, небольшое количество гумуса может значительно повысить способность почвы способствовать росту растений. [147] [144]
Органический материал в почве состоит из органических соединений и включает растительный, животный и микробный материал, как живой, так и мертвый. Типичная почва имеет состав биомассы, состоящий из 70% микроорганизмов, 22% макрофауны и 8% корней. Живой компонент акра почвы может включать 900 фунтов дождевых червей, 2400 фунтов грибов, 1500 фунтов бактерий, 133 фунта простейших и 890 фунтов членистоногих и водорослей. [148]
Несколько процентов органического вещества почвы с небольшим временем пребывания состоят из микробной биомассы и метаболитов бактерий, плесени и актиномицетов, которые расщепляют мертвое органическое вещество. [149] [150] Если бы не действие этих микроорганизмов, вся часть углекислого газа в атмосфере была бы изолирована в виде органического вещества в почве. Однако в то же время почвенные микробы способствуют депонированию углерода в верхнем слое почвы за счет образования устойчивого гумуса. [151] В целях связывания большего количества углерода в почве для смягчения парникового эффекта в долгосрочной перспективе было бы более эффективно стимулировать гумификацию , чем уменьшать разложение подстилки . [152]
Основная часть органического вещества почвы представляет собой сложную совокупность небольших органических молекул, называемых гумусом или гуминовыми веществами. Использование этих терминов, не основанных на четкой химической классификации, считается устаревшим. [153] Другие исследования показали, что классическое представление о молекуле неприемлемо для гумуса, который избежал большинства попыток, предпринятых в течение двух столетий, разделить его на отдельные компоненты, но все же химически отличается от полисахаридов, лигнинов и белков. [154]
Большинство живых существ в почве, включая растения, животных, бактерии и грибы, зависят от органических веществ в плане получения питательных веществ и/или энергии. Почвы содержат органические соединения разной степени разложения, скорость разложения которых зависит от температуры, влажности почвы и аэрации. Бактерии и грибы питаются сырым органическим веществом, которым питаются простейшие , которые, в свою очередь, питаются нематодами , кольчатыми червями и членистоногими , которые сами способны потреблять и трансформировать сырое или гумифицированное органическое вещество. Это было названо почвенной пищевой сетью , посредством которой все органические вещества перерабатываются, как в пищеварительной системе . [155] Органические вещества удерживают почву открытой, обеспечивая проникновение воздуха и воды, и могут удерживать воду в два раза больше своего веса. Многие почвы, в том числе пустынные и каменисто-гравийные, содержат мало органических веществ или вообще не содержат их. Почвы, состоящие исключительно из органических веществ, например торф ( гистозоли ), бесплодны. [156] На самой ранней стадии разложения исходный органический материал часто называют сырым органическим веществом. Завершающая стадия разложения называется гумусом.
На пастбищах большая часть органического вещества, добавляемого в почву, поступает из глубоких волокнистых корневых систем травы. Напротив, листья деревьев, падающие на лесную подстилку, являются основным источником органического вещества почвы в лесу. Еще одним отличием является частое возникновение на лугах пожаров, которые уничтожают большое количество надземного материала, но стимулируют еще больший вклад корней. Кроме того, гораздо более высокая кислотность под любыми лесами подавляет действие определенных почвенных организмов, которые в противном случае смешали бы большую часть поверхностного мусора с минеральной почвой. В результате почвы под лугами обычно образуют более толстый горизонт А с более глубоким распределением органического вещества, чем в сопоставимых почвах под лесами, которые обычно хранят большую часть своего органического вещества в лесной подстилке ( горизонт О ) и тонком горизонте А. [157]
Гумус — это органическое вещество, которое разложилось почвенной микрофлорой и фауной до такой степени, что оно стало устойчивым к дальнейшему разложению. Гумус обычно составляет всего пять процентов почвы или меньше по объему, но он является важным источником питательных веществ и придает важные текстурные качества, имеющие решающее значение для здоровья почвы и роста растений. [158] Гумус также питает членистоногих, термитов и дождевых червей , которые еще больше улучшают почву. [159] Конечный продукт, гумус, находится в коллоидной форме в почвенном растворе и образует слабую кислоту , которая может атаковать силикатные минералы, хелатируя их атомы железа и алюминия. [160] Гумус обладает высокой катионной и анионообменной способностью, которая в пересчете на сухой вес во много раз выше, чем у глинистых коллоидов. Он также действует как буфер, как глина, против изменений pH и влажности почвы. [161]
Гуминовые и фульвокислоты , которые образуются в виде сырого органического вещества, являются важными компонентами гумуса. После гибели растений, животных и микробов микробы начинают питаться остатками за счет производства внеклеточных почвенных ферментов, что в конечном итоге приводит к образованию гумуса. [162] По мере распада остатков только молекулы, состоящие из алифатических и ароматических углеводородов, собранных и стабилизированных кислородными и водородными связями, остаются в форме сложных молекулярных ансамблей, которые в совокупности называются гумусом. [154] Гумус в почве никогда не бывает чистым, поскольку он вступает в реакцию с металлами и глинами, образуя комплексы, которые в дальнейшем способствуют его стабильности и структуре почвы. [161] Хотя структура гумуса сама по себе содержит мало питательных веществ (за исключением составляющих металлов, таких как кальций, железо и алюминий), она способна притягивать и связывать слабыми связями катионные и анионные питательные вещества, которые в дальнейшем могут высвобождаться в почвенный раствор в ответ на избирательное поглощение корнями и изменения рН почвы, процесс первостепенной важности для поддержания плодородия тропических почв. [163]
Лигнин устойчив к разрушению и накапливается в почве. Он также реагирует с белками [164] , что еще больше повышает его устойчивость к разложению, в том числе ферментативному разложению микробами. [165] Жиры и воски из растительного вещества обладают еще большей устойчивостью к разложению и сохраняются в почвах в течение тысяч лет, поэтому их используют в качестве индикаторов прошлой растительности в погребенных слоях почвы. [166] Глинистые почвы часто имеют более высокое содержание органических веществ, которые сохраняются дольше, чем почвы без глины, поскольку органические молекулы прилипают к глине и стабилизируются ею. [167] Белки, за исключением склеропротеинов , обычно легко разлагаются , но при связывании с частицами глины они становятся более устойчивыми к разложению. [168] Что касается других белков, частицы глины поглощают ферменты, выделяемые микробами, снижая активность ферментов и одновременно защищая внеклеточные ферменты от деградации. [169] Добавление органических веществ в глинистые почвы может сделать эти органические вещества и любые добавленные питательные вещества недоступными для растений и микробов на многие годы. [170] Исследование показало повышение плодородия почвы после добавления зрелого компоста в глинистую почву. [171] Высокое содержание танинов в почве может привести к секвестрации азота в виде устойчивых танин-белковых комплексов. [172] [173]
Образование гумуса — это процесс, зависящий от количества растительного материала, добавляемого каждый год, и типа базовой почвы. На оба влияют климат и тип присутствующих организмов. [157] Почвы с гумусом могут различаться по содержанию азота, но обычно содержат от 3 до 6 процентов азота. Сырое органическое вещество, как запас азота и фосфора, является важнейшим компонентом, влияющим на плодородие почвы . [156] Гумус также поглощает воду, расширяется и сжимается между сухим и влажным состояниями в большей степени, чем глина, увеличивая пористость почвы. [174] Гумус менее стабилен, чем минеральные компоненты почвы, поскольку он уменьшается в результате микробного разложения, и со временем его концентрация уменьшается без добавления нового органического вещества. Однако гумус в наиболее стабильных формах может сохраняться веками, если не тысячелетиями. [175] Древесный уголь является источником высокостабильного гумуса, называемого черным углеродом , [176] который традиционно использовался для улучшения плодородия бедных питательными веществами тропических почв. Эта очень древняя практика, подтвержденная зарождением темных земель Амазонки , была возобновлена и стала популярной под названием биочар . Было высказано предположение, что биоуголь можно использовать для улавливания большего количества углерода в борьбе с парниковым эффектом. [177]
Производство, накопление и разложение органических веществ во многом зависят от климата. Например, когда происходит оттаивание , существенное влияние оказывается на поток почвенных газов с атмосферными газами. [178] Температура, влажность почвы и топография являются основными факторами, влияющими на накопление органического вещества в почвах. Органические вещества имеют тенденцию накапливаться во влажных или холодных условиях, когда деятельность разлагающих веществ сдерживается низкой температурой [179] или избыточной влажностью, что приводит к возникновению анаэробных условий. [180] И наоборот, чрезмерные дожди и высокие температуры тропического климата способствуют быстрому разложению органических веществ и вымыванию питательных веществ для растений. Лесные экосистемы на этих почвах зависят от эффективной переработки питательных веществ и растительного вещества живыми растениями и микробной биомассой для поддержания их продуктивности, и этот процесс нарушается деятельностью человека. [181] Чрезмерный уклон, особенно при возделывании сельскохозяйственных культур, может способствовать эрозии верхнего слоя почвы, который содержит большую часть сырого органического материала, который в противном случае в конечном итоге превратился бы в гумус. [182]
Типичные типы и процентное содержание компонентов растительных остатков
Целлюлоза и гемицеллюлоза быстро разлагаются грибами и бактериями с периодом полураспада 12–18 дней в умеренном климате. [183] Грибы бурой гнили могут разлагать целлюлозу и гемицеллюлозу, оставляя после себя лигнин и фенольные соединения . Крахмал , являющийся системой хранения энергии для растений, быстро разлагается бактериями и грибами. Лигнин состоит из полимеров , состоящих из 500–600 звеньев с сильно разветвленной аморфной структурой, связанных с целлюлозой, гемицеллюлозой и пектином в стенках растительных клеток . Лигнин подвергается очень медленному разложению, главным образом грибами белой гнили и актиномицетами ; период его полураспада в умеренных условиях составляет около шести месяцев. [183]
Горизонтальный слой почвы, физические особенности, состав и возраст которого отличаются от верхних и нижних, называется почвенным горизонтом. Название горизонта зависит от типа материала, из которого он сложен. Эти материалы отражают продолжительность конкретных процессов почвообразования. Они маркируются с использованием сокращенной записи букв и цифр, которые описывают горизонт с точки зрения его цвета, размера, текстуры, структуры, консистенции, количества корней, pH, пустот, граничных характеристик и наличия конкреций или конкрементов. [184] Ни один почвенный профиль не имеет всех основных горизонтов. Некоторые из них, называемые энтисолами , могут иметь только один горизонт или в настоящее время считаются не имеющими горизонта, в частности, зарождающиеся почвы из неутилизированных отложений горнодобывающих предприятий, [185] морен , [186] вулканических конусов, [187] песчаных дюн или аллювиальных террас . [188] Верхние горизонты почвы могут отсутствовать в усеченных почвах в результате ветровой или водной абляции с сопутствующим заглублением горизонтов почвы на склоне склона - естественным процессом, усугубляемым сельскохозяйственными методами, такими как обработка почвы. [189] Рост деревьев является еще одним источником беспокойства, создавая микромасштабную неоднородность, которая все еще видна в горизонтах почвы после гибели деревьев. [190] Переходя от одного горизонта к другому, от верха к низу почвенного профиля, мы возвращаемся во времени, при этом прошлые события регистрируются в почвенных горизонтах, как в слоях отложений . Отбор проб пыльцы , раковинных амеб и растительных остатков в почвенных горизонтах может помочь выявить изменения окружающей среды (например, изменение климата, изменение землепользования ), произошедшие в процессе почвообразования. [191] Горизонты почвы можно датировать несколькими методами, такими как радиоуглеродный анализ , с использованием кусочков древесного угля при условии, что они имеют достаточный размер, чтобы избежать педотурбации , вызванной деятельностью дождевых червей и других механических нарушений. [192] Горизонты ископаемых почв из палеопочв можно обнаружить в толщах осадочных пород , что позволяет изучать окружающую среду прошлого. [193]
Воздействие исходного материала на благоприятные условия приводит к образованию минеральных почв, малопригодных для роста растений, как это происходит в эродированных почвах. [194] Рост растительности приводит к образованию органических остатков, которые выпадают на землю в виде подстилки для надземных частей растений ( листовой опад ) или непосредственно производятся под землей для подземных органов растений (корневой опад), а затем выделяют растворенные органические вещества . [195] Оставшийся поверхностный органический слой, называемый горизонтом О , образует более активную почву из-за воздействия организмов, живущих в нем. Организмы колонизируют и расщепляют органические материалы, предоставляя питательные вещества, на которых могут жить другие растения и животные. [196] По прошествии достаточного времени гумус перемещается вниз и откладывается в характерном органо-минеральном поверхностном слое, называемом горизонтом А, в котором органическое вещество смешивается с минеральным веществом в результате деятельности роющих животных - процесс, называемый педотурбацией. Этот естественный процесс не доходит до завершения при наличии губительных для почвенной жизни условий, таких как сильная кислотность, холодный климат или загрязнение, обусловленный накоплением неразложившегося органического вещества в пределах одного органического горизонта, перекрывающего минеральную почву [197] и в сопоставление гумифицированного органического вещества и минеральных частиц без тесного смешения в нижележащих минеральных горизонтах. [198]
Одна из первых систем классификации почв была разработана русским учёным Василием Докучаевым около 1880 года. [199] Она несколько раз модифицировалась американскими и европейскими исследователями и превратилась в систему, широко используемую до 1960-х годов. Он был основан на идее о том, что почвы имеют особую морфологию в зависимости от материалов и факторов, которые их образуют. В 1960-х годах начала появляться другая система классификации, в которой основное внимание уделялось морфологии почвы , а не исходному материалу и факторам почвообразования. С тех пор он претерпел дальнейшие модификации. Всемирная справочная база почвенных ресурсов [200] направлена на создание международной справочной базы для классификации почв.
Почва используется в сельском хозяйстве, где она служит якорем и основной питательной базой для растений. Тип почвы и доступная влажность определяют виды растений, которые можно выращивать. Сельскохозяйственное почвоведение было первобытной областью почвенных знаний задолго до появления почвоведения в XIX веке. Однако, как показали аэропоника , аквапоника и гидропоника , почвенный материал не является абсолютно необходимым для сельского хозяйства, и беспочвенные системы земледелия были заявлены как будущее сельского хозяйства для бесконечно растущего человечества. [201]
Почвенный материал также является важнейшим компонентом в горнодобывающей, строительной и ландшафтной отраслях. [202] Почва служит основой для большинства строительных проектов. Перемещение огромных объемов грунта может быть задействовано при добыче полезных ископаемых , строительстве дорог и строительстве плотин . Земляное укрытие — это архитектурная практика использования грунта в качестве внешней тепловой массы у стен здания. Многие строительные материалы имеют почвенную основу. Потеря почвы в результате урбанизации растет быстрыми темпами во многих регионах и может иметь решающее значение для поддержания натурального сельского хозяйства . [203]
Почвенные ресурсы имеют решающее значение для окружающей среды, а также для производства продуктов питания и волокон, производя 98,8% продуктов питания, потребляемых людьми. [204] Почва обеспечивает растения минералами и водой в соответствии с несколькими процессами, участвующими в питании растений. Почва поглощает дождевую воду и позже выпускает ее, тем самым предотвращая наводнения и засухи, поскольку регулирование наводнений является одной из основных экосистемных услуг, обеспечиваемых почвой. [205] Почва очищает воду, просачивающуюся через нее. [206] Почва является средой обитания для многих организмов: большая часть известного и неизвестного биоразнообразия находится в почве, в виде дождевых червей, мокриц , многоножек , многоножек , улиток , слизней , клещей , коллембол , энхитреид , нематод , простейших . , бактерии, археи , грибы и водоросли ; и большинство организмов, живущих над землей, имеют часть их ( растения ) или проводят часть своего жизненного цикла ( насекомые ) под землей. [207] Надземное и подземное биоразнообразие тесно взаимосвязано, [157] [208] что делает защиту почвы первостепенной важностью для любого плана восстановления или сохранения .
Биологический компонент почвы является чрезвычайно важным поглотителем углерода, поскольку около 57% биотического содержания составляет углерод. Даже в пустынях цианобактерии, лишайники и мхи образуют биологические почвенные корки , которые захватывают и изолируют значительное количество углерода посредством фотосинтеза . Неправильные методы ведения сельского хозяйства и выпаса скота привели к деградации почв и выбросу значительной части этого секвестрированного углерода в атмосферу. Восстановление почв мира могло бы компенсировать эффект увеличения выбросов парниковых газов и замедления глобального потепления, одновременно повышая урожайность сельскохозяйственных культур и сокращая потребности в воде. [209] [210] [211]
Управление отходами часто имеет почвенный компонент. Поля септиков очищают сточные воды септиков , используя аэробные почвенные процессы. Использование сточных вод в почве основано на биологии почвы для аэробной очистки БПК . Альтернативно, на свалках ежедневно используется почва , изолирующая отложения отходов от атмосферы и предотвращающая появление неприятных запахов. В настоящее время компостирование широко применяется для переработки твердых бытовых отходов и сухих стоков отстойников . Хотя компост не является почвой, биологические процессы, происходящие при компостировании, аналогичны процессам, происходящим при разложении и гумификации органического вещества почвы. [212]
Органические почвы, особенно торф, служат важным топливным и садоводческим ресурсом. Торфяные почвы также широко используются в сельском хозяйстве в странах Северной Европы, поскольку торфяники при осушении создают плодородную почву для производства продуктов питания. [213] Однако обширные территории производства торфа, такие как богарные сфагновые болота , также называемые покровными или верховыми болотами , в настоящее время охраняются из-за их родового интереса. Например, «Страна потока» , занимающая 4000 квадратных километров обширных болот в Шотландии, теперь является кандидатом на включение в Список всемирного наследия . Считается, что в условиях современного глобального потепления торфяные почвы участвуют в самоусиливающемся (положительная обратная связь) процессе увеличения выбросов парниковых газов (метана и углекислого газа) и повышения температуры [214] – утверждение, которое все еще обсуждается, когда заменены в полевых масштабах и в том числе стимулировали рост растений. [215]
Геофагия – это практика поедания почвоподобных веществ. И животные, и люди иногда потребляют почву в лечебных, рекреационных или религиозных целях. [216] Было показано, что некоторые обезьяны потребляют почву вместе с предпочитаемой ими пищей ( листвой деревьев и фруктами ), чтобы уменьшить токсичность танина. [217]
Почвы фильтруют и очищают воду и влияют на ее химический состав. Дождевая вода и скопившаяся вода из прудов, озер и рек просачиваются через горизонты почвы и верхние слои горных пород , превращаясь, таким образом, в грунтовые воды . Вредители ( вирусы ) и загрязняющие вещества , такие как стойкие органические загрязнители ( хлорированные пестициды , полихлорированные бифенилы ), масла ( углеводороды ), тяжелые металлы ( свинец , цинк, кадмий ) и излишки питательных веществ (нитраты, сульфаты , фосфаты) отфильтровываются земля. [218] Почвенные организмы метаболизируют их или иммобилизуют в биомассе и некромассе, [219] тем самым инкорпорируя их в стабильный гумус. [220] Физическая целостность почвы также является необходимым условием предотвращения оползней в суровых ландшафтах. [221]
Деградация земель – это антропогенный или естественный процесс, который ухудшает способность земель функционировать. [222] Деградация почв включает подкисление , загрязнение , опустынивание , эрозию или засоление . [223]
Подкисление почвы полезно в случае щелочных почв , но оно приводит к деградации земель, поскольку снижает продуктивность сельскохозяйственных культур , биологическую активность почвы и увеличивает уязвимость почвы к загрязнению и эрозии. Почвы изначально кислые и остаются таковыми, когда в их исходных материалах мало основных катионов (кальция, магния, калия и натрия ). В материнских материалах, богатых выветриваемыми минералами, подкисление происходит, когда основные катионы вымываются из почвенного профиля осадками или вывозятся при заготовке лесных или сельскохозяйственных культур. Закисление почв ускоряется применением кислотообразующих азотных удобрений и воздействием кислых осадков . Вырубка лесов является еще одной причиной закисления почвы, опосредованной повышенным вымыванием питательных веществ из почвы при отсутствии крон деревьев . [224]
Загрязнение почвы на низких уровнях часто находится в пределах способности почвы перерабатывать и ассимилировать отходы . Почвенная биота может перерабатывать отходы, преобразовывая их, главным образом за счет ферментативной активности микроорганизмов. [225] Органические вещества почвы и почвенные минералы могут адсорбировать отходы и снижать их токсичность , [226] хотя в коллоидной форме они могут переносить адсорбированные загрязняющие вещества в подземные среды. [227] Многие процессы переработки отходов полагаются на эту естественную способность биоремедиации . Превышение мощностей по очистке может привести к повреждению почвенной биоты и ограничению функций почвы. Заброшенные почвы возникают там, где промышленное загрязнение или другая деятельность по развитию повреждают почву до такой степени, что землю невозможно использовать безопасно и продуктивно. При восстановлении заброшенной почвы используются принципы геологии, физики, химии и биологии для разложения, ослабления, изоляции или удаления почвенных загрязнителей с целью восстановления функций и ценностей почвы . Методы включают выщелачивание , промывание воздухом , кондиционеры почвы , фиторемедиацию , биоремедиацию и контролируемое естественное ослабление . Примером диффузного загрязнения контаминантами является накопление меди в виноградниках и садах , для обработки которых неоднократно применяются фунгициды, даже в органическом земледелии . [228]
Микроволокна из синтетического текстиля являются еще одним типом пластикового загрязнения почвы: 100% образцов сельскохозяйственной почвы на юго-западе Китая содержали пластиковые частицы, 92% из которых составляли микроволокна. Источниками микроволокон, вероятно, были веревки или шпагаты, а также поливная вода, в которой стиралась одежда. [229]
Применение твердых биологических веществ из осадка сточных вод и компоста может привести к попаданию микропластика в почву. Это увеличивает бремя микропластика из других источников (например, из атмосферы). Примерно половина осадков сточных вод в Европе и Северной Америке используется на сельскохозяйственных землях. По оценкам, в Европе на каждый миллион жителей ежегодно в сельскохозяйственные почвы попадает от 113 до 770 тонн микропластика. [229]
Опустынивание , экологический процесс деградации экосистем в засушливых и полузасушливых регионах, часто вызывается плохо адаптированной деятельностью человека, такой как чрезмерный выпас скота или чрезмерная заготовка дров . Распространено заблуждение, что засуха вызывает опустынивание. [230] Засухи распространены в засушливых и полузасушливых землях. Хорошо управляемые земли могут восстановиться после засухи, когда дожди возобновятся. Инструменты управления почвой включают поддержание уровня питательных веществ и органических веществ в почве, сокращение обработки почвы и увеличение покрытия. [231] Эти методы помогают контролировать эрозию и поддерживать продуктивность в периоды доступности влаги. Однако продолжающееся злоупотребление землей во время засухи усиливает деградацию земель . Увеличение численности населения и животноводства на маргинальных землях ускоряет опустынивание. [232] В настоящее время возникает вопрос, будет ли современное потепление климата способствовать или вредить опустыниванию, учитывая противоречивые сообщения о прогнозируемых тенденциях количества осадков, связанных с повышением температуры, и сильные расхождения между регионами, даже в одной и той же стране. [233]
Эрозия почвы вызвана водой , ветром , льдом и движением под действием силы тяжести . Одновременно может возникать более одного вида эрозии. Эрозию отличают от выветривания , поскольку эрозия также переносит эродированную почву от места ее происхождения (почва при транспортировке может быть описана как отложения ). Эрозия — это естественный естественный процесс, но во многих местах она значительно усиливается в результате деятельности человека, особенно из-за неподходящей практики землепользования. [234] К ним относятся сельскохозяйственная деятельность, в результате которой почва остается голой во время проливных дождей или сильных ветров, чрезмерный выпас скота , вырубка лесов и ненадлежащая строительная деятельность. Улучшение управления может ограничить эрозию. Применяемые методы сохранения почвы включают изменение землепользования (например, замену склонных к эрозии культур травой или другими почвосвязывающими растениями), изменение сроков или типа сельскохозяйственных операций, строительство террас , использование подавляющих эрозию покровных материалов ( включая покровные культуры и другие растения), ограничение нарушений во время строительства и избежание строительства в периоды, подверженные эрозии, и в подверженных эрозии местах, таких как крутые склоны. [235] Исторически одним из лучших примеров крупномасштабной эрозии почвы из-за неподходящей практики землепользования является ветровая эрозия (так называемая пылевая чаша ), которая разрушила американские и канадские прерии в 1930-е годы, когда фермеры-иммигранты, поощряемые федеральное правительство обеих стран заселило и преобразовало первоначальные короткотравные прерии для выращивания сельскохозяйственных культур и разведения крупного рогатого скота .
Серьезная и длительная проблема водной эрозии возникает в Китае , в среднем течении Желтой реки и в верховьях реки Янцзы . Из Желтой реки ежегодно в океан стекает более 1,6 миллиарда тонн наносов. Отложения образуются в основном в результате водной эрозии (овражной эрозии) в районе Лёссового плато на северо-западе Китая. [236]
Грунтовые трубопроводы — это особая форма эрозии почвы, которая происходит под поверхностью почвы. [237] Это приводит к разрушению дамбы и плотины, а также к образованию провалов . Турбулентный поток удаляет почву, начиная с устья просачивающегося потока , и эрозия подпочвы продвигается вверх. [238] Термин «песчаное кипение» используется для описания внешнего вида выпускного конца активной грунтовой трубы. [239]
Засоление почв – это накопление свободных солей до такой степени, что приводит к ухудшению сельскохозяйственного значения почв и растительности. Последствия включают коррозионное повреждение, замедление роста растений, эрозию из-за потери растительного покрова и структуры почвы, а также проблемы с качеством воды из-за отложений . Засоление происходит вследствие сочетания природных и антропогенных процессов. Засушливые условия способствуют накоплению солей. Это особенно заметно, когда материнский материал почвы засолен. Особенно проблематично орошение засушливых земель. [240] Вся оросительная вода имеет определенный уровень минерализации. Орошение, особенно когда оно связано с утечками из каналов и чрезмерным орошением в поле, часто поднимает уровень грунтовых вод . Быстрое засоление происходит, когда поверхность земли находится в пределах капиллярной границы соленых грунтовых вод. Контроль засоления почвы включает контроль уровня грунтовых вод и промывку большим количеством подаваемой воды в сочетании с плиточным дренажем или другой формой подземного дренажа . [241] [242]
Почвы, которые содержат большое количество определенных глин с высокими свойствами набухания, таких как смектиты , часто очень плодородны. Например, богатые смектитом рисовые почвы центральных равнин Таиланда являются одними из самых продуктивных в мире. Однако чрезмерное использование минеральных азотных удобрений и пестицидов при интенсивном орошаемом выращивании риса поставило под угрозу эти почвы, вынудив фермеров внедрять интегрированные методы , основанные на принципах снижения затрат. [243]
Однако многие фермеры в тропических регионах с трудом сохраняют органические вещества и глину в почвах, которые они обрабатывают. В последние годы, например, продуктивность снизилась, а эрозия почвы усилилась на малоглинистых почвах северного Таиланда после отказа от вахтовой обработки земли в пользу более постоянного землепользования. [244] Фермеры первоначально отреагировали добавлением органических веществ и глины из материала термитников , но в долгосрочной перспективе это было неустойчиво из-за разреженности термитников. Ученые экспериментировали с добавлением в почву бентонита , одной из глин смектитового семейства. В полевых испытаниях, проведенных учеными Международного института управления водными ресурсами (IWMI) в сотрудничестве с Университетом Кхон Каен и местными фермерами, это помогло сохранить воду и питательные вещества. Дополнение обычной практики фермера однократным применением 200 кг на рай (1300 кг/га; 1100 фунтов/акр) бентонита привело к увеличению урожайности в среднем на 73%. [245] Другие исследования показали, что применение бентонита на деградированных песчаных почвах снижает риск неурожая в засушливые годы. [246]
В 2008 году, через три года после первых испытаний, ученые IWMI провели опрос среди 250 фермеров на северо-востоке Таиланда, половина из которых применяла бентонит на своих полях. Среднее улучшение для тех, кто использовал добавку глины, было на 18% выше, чем для тех, кто не использовал глину. Использование глины позволило некоторым фермерам переключиться на выращивание овощей, которым нужна более плодородная почва. Это помогло увеличить их доходы. По оценкам исследователей, 200 фермеров на северо-востоке Таиланда и 400 фермеров в Камбодже начали использовать глину, а еще 20 000 фермеров познакомились с новой техникой. [247]
Если в почве слишком много глины или солей (например, засоленная натриевая почва ), добавление гипса, промытого речного песка и органических веществ (например, твердых бытовых отходов ) сбалансирует состав. [248]
Добавление органических веществ, таких как разветвленная древесина или компост , в почву, которая обеднена питательными веществами и содержит слишком много песка, повысит ее качество и улучшит урожайность. [249] [250]
Особо следует упомянуть использование древесного угля и, в более общем плане, биоугля для улучшения бедных питательными веществами тропических почв, процесса, основанного на более высоком плодородии антропогенных доколумбовых темных земель Амазонки , также называемых Terra Preta de Índio, из-за интересных физических свойств. и химические свойства почвенной сажи как источника стабильного гумуса. [251] Однако бесконтрольное применение обугленных отходов всех видов может поставить под угрозу жизнь почвы и здоровье человека. [252]
История изучения почвы тесно связана с острой потребностью человека обеспечивать себя пищей и кормом для своих животных. На протяжении всей истории цивилизации процветали или приходили в упадок в зависимости от доступности и продуктивности их почв. [253]
Греческому историку Ксенофонту (450–355 гг. до н. э .) приписывают то, что он был первым, кто разъяснил преимущества зеленых удобрений: «Но тогда, какие бы сорняки ни были на земле, превращаясь в землю, они обогащают почву так же, как и навоз. ' [254]
В книге Колумеллы «О земледелии» , написанной около 60 г. н. э ., говорилось об использовании извести и о том, что клевер и люцерну ( зеленое удобрение ) следует выбрасывать, [255] и они использовались 15 поколениями (450 лет) во времена Римской империи до ее краха. [254] [256] С падением Рима до Французской революции знания о почве и сельском хозяйстве передавались от родителей к детям, и в результате урожайность сельскохозяйственных культур была низкой. В период европейского Средневековья руководство Яхьи ибн аль-Аввама [257] с акцентом на ирригацию служило руководством для народов Северной Африки, Испании и Ближнего Востока ; перевод этой работы наконец был перенесен на юго-запад Соединенных Штатов, когда он находился под влиянием Испании. [258] Оливье де Серр , считающийся отцом французской агрономии , был первым, кто предложил отказаться от парования и заменить его сенокосными лугами в севооборотах . Он также подчеркнул важность почвы (французского терруара ) в управлении виноградниками. Его знаменитая книга « Театр сельского хозяйства и послание о полях» [259] способствовала развитию современного, устойчивого сельского хозяйства и краху старых методов ведения сельского хозяйства, таких как обработка почвы под сельскохозяйственные культуры путем уборки лесной подстилки и вырубки лесов , что разрушило почвы Западной Европы в средние века и даже позже по регионам. [260]
Эксперименты по изучению того, что заставляет растения расти, сначала привели к идее, что пепел, оставшийся после сжигания растительного материала, был важным элементом, но упустили из виду роль азота, который не остается на земле после сгорания, - убеждение, которое преобладало до 19 века. . [261] Примерно в 1635 году фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт решил, что доказал, что вода является важным элементом, в ходе своего знаменитого пятилетнего эксперимента с ивой, выращенной только с добавлением дождевой воды. Его вывод был основан на том факте, что увеличение веса растения, по-видимому, произошло только за счет добавления воды, без уменьшения веса почвы. [262] [263] [264] Джон Вудворд ( ум. 1728) экспериментировал с различными типами воды, от чистой до мутной, и нашел мутную воду лучшей, и поэтому он пришел к выводу, что земляное вещество является важным элементом. Другие пришли к выводу, что именно гумус в почве передает некоторую сущность растущему растению. Третьи считали, что жизненно важным принципом роста является переход от мертвых растений или животных к новым растениям. В начале 18 века Джетро Талл продемонстрировал, что обрабатывать (перемешивать) почву полезно, но его мнение о том, что перемешивание делает мелкие части почвы доступными для поглощения растениями, было ошибочным. [263] [265]
По мере развития химии ее стали применять для исследования плодородия почв. Примерно в 1778 году французский химик Антуан Лавуазье показал, что растения и животные, чтобы жить, должны сжигать кислород внутри себя. Он смог сделать вывод, что большая часть веса ивы Ван Гельмонта весом 165 фунтов (75 кг) возникла из воздуха. [266] Французский земледельец Жан-Батист Буссенго путем экспериментов получил данные, показывающие, что основными источниками углерода, водорода и кислорода для растений являются воздух и вода, а азот берется из почвы. [267] Юстус фон Либих в своей книге «Органическая химия в ее приложениях к сельскому хозяйству и физиологии» (опубликована в 1840 г.) утверждал, что химические вещества в растениях должны поступать из почвы и воздуха и что для поддержания плодородия почвы необходимо заменять используемые минералы. . [268] Тем не менее Либих полагал, что азот поступает из воздуха. Обогащение почвы гуано инками было заново открыто в 1802 году Александром фон Гумбольдтом . Это привело к его добыче и добыче чилийской селитры, а также к ее внесению в почву в Соединенных Штатах и Европе после 1840 года. [269]
Работа Либиха произвела революцию в сельском хозяйстве, и другие исследователи начали на ее основе эксперименты. В Англии Джон Беннет Лоуз и Джозеф Генри Гилберт работали на экспериментальной станции в Ротамстеде , основанной первым, и (заново) открыли, что растения забирают азот из почвы и что соли должны находиться в доступном состоянии, чтобы растения могли их усваивать. Их исследования также позволили получить суперфосфат , заключающийся в кислотной обработке фосфоритной руды. [270] Это привело к изобретению и использованию солей калия (K) и азота (N) в качестве удобрений. Аммиак, образующийся при производстве кокса , был рекуперирован и использован в качестве удобрения. [271] Наконец, химическая основа питательных веществ, поступивших в почву с навозом, была понята, и в середине 19 века были применены химические удобрения. Однако динамическое взаимодействие почвы и ее жизненных форм еще не было понято.
В 1856 г. Дж. Томас Уэй обнаружил, что содержащийся в удобрениях аммиак превращается в нитраты [272] , а двадцать лет спустя Роберт Уорингтон доказал, что это превращение осуществляется живыми организмами. [273] В 1890 году Сергей Виноградский объявил, что обнаружил бактерии, ответственные за эту трансформацию. [274]
Было известно, что некоторые бобовые могут поглощать азот из воздуха и закреплять его в почве, но развитие бактериологии к концу XIX века привело к пониманию роли, которую играют бактерии в фиксации азота. Симбиоз бактерий и корней бобовых, а также фиксация азота бактериями были одновременно открыты немецким агрономом Германом Хеллригелем и голландским микробиологом Мартинусом Бейеринком . [270]
Севооборот, механизация, химические и натуральные удобрения привели к удвоению урожайности пшеницы в Западной Европе в период с 1800 по 1900 год. [275]
Ученые, изучавшие почву в связи с сельскохозяйственной практикой, рассматривали ее главным образом как статический субстрат. Однако почва является результатом эволюции из более древних геологических материалов под действием биотических и абиотических процессов. После того, как начались исследования по улучшению почв, другие исследователи начали изучать генезис почв, а в результате - типы и классификации почв.
В 1860 году, находясь в Миссисипи, Юджин В. Хилгард (1833–1916) изучал взаимосвязь между каменным материалом, климатом, растительностью и типом освоенных почв. Он понял, что почвы динамичны, и рассмотрел классификацию типов почв. [276] Его работа не была продолжена. Примерно в то же время Фридрих Альберт Фаллу описывал профили почвы и связывал характеристики почвы с их формированием в рамках своей профессиональной работы по оценке лесов и сельскохозяйственных угодий княжества Саксония . Его книга 1857 года « Anfangsgründe der Bodenkunde» («Первые принципы почвоведения») положила начало современному почвоведению. [277] Одновременно с работами Фаллу и движимый той же необходимостью точно оценить землю для справедливого налогообложения, Василий Докучаев возглавил группу почвоведов в России, которые провели обширное исследование почв, отметив, что схожие основные породы, климат и типы растительности привели к сходству слоев и типов почв и установили концепции классификации почв. Из-за языкового барьера о работе этой группы не сообщалось в Западной Европе до 1914 года через публикацию на немецком языке Константина Глинки , члена русской команды. [278]
Кертис Ф. Марбут , под влиянием работы российской группы, перевел публикацию Глинки на английский язык [279] и, поскольку он был назначен руководителем Национального совместного исследования почв США , применил ее к национальной системе классификации почв. [263]
Наш анализ данных по педонам из нескольких нарушенных профилей почвы показывает, что физические нарушения и антропогенное воздействие различных материалов (прямое воздействие) могут значительно изменить количество углерода, хранящегося в этих «созданных» человеком почвах.
Ирригаторы должны знать легкодоступную влагоемкость, чтобы можно было подавать воду до того, как растениям придется тратить чрезмерную энергию для извлечения влаги.
Только часть доступной водоудерживающей способности легко используется культурой до того, как у нее разовьется водный дефицит.
{{cite journal}}: CS1 maint: Срок эмбарго PMC истек ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
В эту статью включен текст из бесплатного контента . Лицензировано согласно Cc BY-SA 3.0 IGO (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из документа «Утопление в пластике: важные графики морского мусора и пластиковых отходов», Программа ООН по окружающей среде.
