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 специально перемещенной почвой.
Почва состоит из твердой фазы минералов и органических веществ (почвенная матрица), а также пористой фазы, которая удерживает газы (почвенная атмосфера) и воду (почвенный раствор). [1] [2] Соответственно, почва представляет собой трехфазную систему твердых веществ, жидкостей и газов. [3] Почва является продуктом нескольких факторов: влияния климата , рельефа (высота, ориентация и уклон местности), организмов и материнских материалов почвы (исходные минералы), взаимодействующих с течением времени. [4] Она непрерывно претерпевает развитие посредством многочисленных физических, химических и биологических процессов, которые включают выветривание с сопутствующей эрозией . [5] Учитывая ее сложность и сильную внутреннюю связанность , почвенные экологи рассматривают почву как экосистему . [6]
Большинство почв имеют сухую объемную плотность (плотность почвы с учетом пустот в сухом состоянии) от 1,1 до 1,6 г/см 3 , хотя плотность частиц почвы намного выше, в диапазоне от 2,6 до 2,7 г/см 3 . [7] Мало какая часть почвы планеты Земля старше плейстоцена , и ни одна не старше кайнозоя , [8] хотя окаменелые почвы сохранились еще с архея . [9]
В совокупности тело почвы Земли называется педосферой . Педосфера взаимодействует с литосферой , гидросферой , атмосферой и биосферой . [10] Почва имеет четыре важные функции :
Все эти функции, в свою очередь, изменяют почву и ее свойства.
Почвоведение имеет две основные отрасли изучения: эдафология и педология . Эдафология изучает влияние почв на живые существа. [11] Почвоведение фокусируется на формировании, описании (морфологии) и классификации почв в их естественной среде. [12] В инженерных терминах почва включена в более широкое понятие реголита , которое также включает другие рыхлые материалы, которые лежат над коренной породой, такие как можно найти на Луне и других небесных объектах . [13]
Почва является основным компонентом экосистемы Земли . Мировые экосистемы подвергаются далеко идущему влиянию процессов, происходящих в почве, с эффектами, варьирующимися от истощения озонового слоя и глобального потепления до уничтожения тропических лесов и загрязнения воды . Что касается углеродного цикла Земли , почва действует как важный резервуар углерода , [14] и потенциально является одним из наиболее восприимчивых к человеческому вмешательству [15] и изменению климата. [16] По мере того, как планета нагревается, было предсказано, что почвы будут добавлять углекислый газ в атмосферу из-за повышенной биологической активности при более высоких температурах, положительной обратной связи (усиления). [17] Это предсказание, однако, было подвергнуто сомнению с учетом более последних знаний об обороте углерода в почве . [18]
Почва действует как инженерная среда, среда обитания для 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 спектр доступных ниш и мест обитания , она содержит значительную часть генетического разнообразия Земли . Грамм почвы может содержать миллиарды организмов, принадлежащих к тысячам видов, в основном микробных и в значительной степени еще не изученных. [20] [21] Почва имеет среднюю плотность прокариот примерно 10 8 организмов на грамм, [22] тогда как в океане не более 10 7 прокариотических организмов на миллилитр (грамм) морской воды. [23] Органический углерод , удерживаемый в почве, в конечном итоге возвращается в атмосферу через процесс дыхания , осуществляемый гетеротрофными организмами, но значительная часть сохраняется в почве в форме органического вещества почвы; Обработка почвы обычно увеличивает скорость дыхания почвы , что приводит к истощению органического вещества почвы. [24] Поскольку корням растений нужен кислород, аэрация является важной характеристикой почвы. Эта вентиляция может быть достигнута с помощью сетей взаимосвязанных почвенных пор , которые также поглощают и удерживают дождевую воду, делая ее легкодоступной для усвоения растениями. Поскольку растениям требуется почти непрерывное снабжение водой, но большинство регионов получают спорадические осадки, водоудерживающая способность почв имеет жизненно важное значение для выживания растений. [25]
Почвы могут эффективно удалять примеси, [26] убивать возбудителей болезней, [27] и разлагать загрязняющие вещества , это последнее свойство называется естественным ослаблением . [28] Обычно почвы поддерживают чистое поглощение кислорода и метана и подвергаются чистому выделению углекислого газа и закиси азота . [29] Почвы обеспечивают растения физической поддержкой, воздухом, водой, температурным регулированием, питательными веществами и защитой от токсинов. [30] Почвы обеспечивают растения и животных легкодоступными питательными веществами, преобразуя мертвое органическое вещество в различные формы питательных веществ. [31]
Компоненты суглинистой почвы в процентах по объему
Типичная почва состоит примерно на 50% из твердых веществ (45% минеральных и 5% органических веществ) и на 50% из пустот (или пор), из которых половина занята водой, а половина — газом. [32] Процент содержания минеральных и органических веществ в почве можно рассматривать как константу (в краткосрочной перспективе), в то время как процент содержания воды и газа в почве считается весьма изменчивым, при этом увеличение одного одновременно уравновешивается уменьшением другого. [33] Поровое пространство обеспечивает инфильтрацию и движение воздуха и воды, которые оба имеют решающее значение для жизни, существующей в почве. [34] Уплотнение , распространенная проблема с почвами, уменьшает это пространство, не позволяя воздуху и воде достигать корней растений и почвенных организмов. [35]
При наличии достаточного времени недифференцированная почва разовьет почвенный профиль , состоящий из двух или более слоев, называемых горизонтами почвы. Они различаются по одному или нескольким свойствам, таким как текстура , структура , плотность , пористость, консистенция, температура, цвет и реактивность . [8] Горизонты сильно различаются по толщине и, как правило, не имеют резких границ; их развитие зависит от типа исходного материала , процессов, которые изменяют эти исходные материалы, и факторов почвообразования, которые влияют на эти процессы. Биологическое влияние на свойства почвы сильнее всего вблизи поверхности, хотя геохимическое влияние на свойства почвы увеличивается с глубиной. Профили зрелой почвы обычно включают три основных основных горизонта: A, B и C. Solum обычно включает горизонты A и B. Живой компонент почвы в значительной степени ограничен solum и, как правило, более заметен в горизонте A. [36] Было высказано предположение, что педон , столб почвы, простирающийся вертикально от поверхности до подстилающего материнского материала и достаточно большой, чтобы показать характеристики всех его горизонтов, может быть подразделен на хумипедон (живая часть, где обитает большинство почвенных организмов, соответствующая форме гумуса ), копедон (в промежуточном положении, где происходит большая часть выветривания минералов) и литопедон (в контакте с подпочвой). [37]
Текстура почвы определяется относительными пропорциями отдельных частиц песка , ила и глины , из которых состоит почва.
Взаимодействие отдельных минеральных частиц с органическим веществом, водой, газами посредством биотических и абиотических процессов приводит к тому, что эти частицы флоккулируют (склеиваются) и образуют агрегаты или ступни . [38] Если эти агрегаты можно идентифицировать, можно сказать, что почва развита, и ее можно описать далее с точки зрения цвета, пористости, консистенции, реакции ( кислотности ) и т. д.
Вода является критически важным агентом в развитии почвы из-за ее участия в растворении, осаждении, эрозии, транспортировке и отложении материалов, из которых состоит почва. [39] Смесь воды и растворенных или взвешенных материалов, которые занимают поровое пространство почвы , называется почвенным раствором. Поскольку почвенная вода никогда не является чистой водой, а содержит сотни растворенных органических и минеральных веществ, ее можно точнее назвать почвенным раствором. Вода играет центральную роль в растворении , осаждении и выщелачивании минералов из почвенного профиля . Наконец, вода влияет на тип растительности, которая растет в почве, что, в свою очередь, влияет на развитие почвы, сложная обратная связь, примером которой является динамика полосчатых растительных узоров в полузасушливых регионах. [40]
Почвы снабжают растения питательными веществами , большинство из которых удерживаются на месте частицами глины и органического вещества ( коллоидами ) [41] Питательные вещества могут быть адсорбированы на поверхностях глинистых минералов, связаны внутри глинистых минералов ( абсорбированы ) или связаны внутри органических соединений как часть живых организмов или мертвого органического вещества почвы. Эти связанные питательные вещества взаимодействуют с почвенной водой, чтобы буферизировать состав почвенного раствора (ослаблять изменения в почвенном растворе) по мере того, как почвы увлажняются или высыхают, по мере того, как растения поглощают питательные вещества, по мере выщелачивания солей или по мере добавления кислот или щелочей. [42]
Доступность питательных веществ для растений зависит от pH почвы , который является мерой активности ионов водорода в почвенном растворе. pH почвы является функцией многих факторов формирования почвы и, как правило, ниже (более кислый), где выветривание более развито. [43]
Большинство питательных веществ для растений, за исключением азота , происходят из минералов, которые составляют материнский материал почвы. Некоторое количество азота происходит из дождя в виде разбавленной азотной кислоты и аммиака , [44] но большая часть азота доступна в почвах в результате фиксации азота бактериями . Попав в систему почва-растение, большинство питательных веществ перерабатываются через живые организмы, растительные и микробные остатки (органическое вещество почвы ), формы, связанные с минералами, и почвенный раствор. Как живые почвенные организмы (микробы, животные и корни растений), так и органическое вещество почвы имеют решающее значение для этой переработки и, следовательно, для формирования почвы и плодородия почвы . [45] Микробные почвенные ферменты могут высвобождать 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 путем улетучивания (потери в атмосферу в виде газов) или выщелачивания. [46]
Говорят, что почва образуется, когда органическое вещество накапливается, а коллоиды смываются вниз, оставляя отложения глины, гумуса , оксида железа , карбоната и гипса , образуя отчетливый слой, называемый горизонтом B. Это несколько произвольное определение, поскольку смеси песка, ила, глины и гумуса будут поддерживать биологическую и сельскохозяйственную деятельность до этого времени. [47] Эти компоненты перемещаются с одного уровня на другой водой и деятельностью животных. В результате в профиле почвы образуются слои (горизонты). Изменение и перемещение материалов в почве вызывают образование отличительных почвенных горизонтов . Однако более поздние определения почвы охватывают почвы без какого-либо органического вещества, такие как реголиты , которые образовались на Марсе [48] и аналогичные условия в пустынях планеты Земля. [49]
Примером развития почвы может служить выветривание коренной породы лавового потока, что приведет к образованию чисто минерального исходного материала, из которого формируется текстура почвы. Развитие почвы будет происходить наиболее быстро из голой породы недавних потоков в теплом климате, при обильных и частых дождях. В таких условиях растения (на первом этапе азотфиксирующие лишайники и цианобактерии , затем эпилитические высшие растения ) очень быстро приживаются на базальтовой лаве, даже несмотря на то, что там очень мало органического материала. [50] Базальтовые минералы обычно выветриваются относительно быстро, согласно серии растворения Голдича . [51] Растения поддерживаются пористой породой, поскольку она заполнена водой, содержащей питательные вещества, которая переносит минералы, растворенные в породах. Трещины и карманы, локальный рельеф пород, будут содержать мелкие материалы и давать приют корням растений. Развивающиеся корни растений связаны с минеральными выветриваниями микоризных грибов [52] , которые помогают в разрушении пористой лавы, и таким образом органическое вещество и более мелкая минеральная почва накапливаются со временем. Такие начальные стадии развития почвы были описаны на вулканах, [53] инзельбергах [54] и ледниковых моренах. [55]
На процесс формирования почвы влияют по крайней мере пять классических факторов, которые переплетаются в эволюции почвы: материнская порода, климат, топография (рельеф), организмы и время. [56] При перестановке в порядке климат, рельеф, организмы, материнская порода и время они образуют аббревиатуру CROPT. [57]
Физические свойства почв, в порядке убывания важности для экосистемных услуг, таких как производство сельскохозяйственных культур , включают текстуру , структуру , объемную плотность , пористость , консистенцию, температуру , цвет и удельное сопротивление. [58] Текстура почвы определяется относительной пропорцией трех видов частиц минералов почвы, называемых почвенными сепаратами: песок , ил и глина . В следующем более крупном масштабе почвенные структуры, называемые педами или, чаще, почвенными агрегатами, создаются из почвенных сепаратов, когда оксиды железа , карбонаты , глина, кремний 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 пустой части объема почвы и занята газами или водой. Консистенция почвы - это способность почвенных материалов слипаться. Температура и цвет почвы являются самоопределяющимися. Удельное сопротивление относится к сопротивлению проводимости электрических токов и влияет на скорость коррозии металлических и бетонных конструкций, которые заглублены в почву. [61] Эти свойства изменяются по глубине профиля почвы, т. е. по горизонтам почвы . Большинство этих свойств определяют аэрацию почвы и способность воды просачиваться и удерживаться в почве. [62]
Содержание воды в почве может быть измерено как объем или вес . Уровни влажности почвы, в порядке убывания содержания воды, являются насыщением, полевой влагоемкостью , точкой увядания , воздушно-сухой и печной сушкой. Полевая влагоемкость описывает осушенную влажную почву в точке, когда содержание воды достигает равновесия с силой тяжести. Орошение почвы выше полевой влагоемкости грозит потерями от просачивания. Точка увядания описывает сухой предел для выращивания растений. В течение вегетационного периода влажность почвы не зависит от функциональных групп или видового богатства. [63]
Доступная влагоемкость — это количество воды, удерживаемой в почвенном профиле, доступном для растений. По мере снижения содержания воды растениям приходится бороться с увеличивающимися силами адгезии и сорбционной способностью , чтобы извлечь воду. Планирование полива позволяет избежать стресса от недостатка влаги , восполняя истощенную воду до того, как возникнет стресс. [64] [65]
Капиллярное действие отвечает за перемещение грунтовых вод из влажных участков почвы в сухие области. Конструкции субирригации (например, грядки с затеканием , плантации с субирригацией ) полагаются на капиллярность для подачи воды к корням растений. Капиллярное действие может привести к испарению концентрации солей, вызывая деградацию земель через засоление .
Измерение влажности почвы — измерение содержания воды в почве, которое может быть выражено в терминах объема или веса — может быть основано на зондах in situ (например, емкостных зондах , нейтронных зондах ) или методах дистанционного зондирования . Измерение влажности почвы является важным фактором в определении изменений в активности почвы. [63]
Атмосфера почвы, или почвенный газ , сильно отличается от атмосферы выше. Потребление кислорода микробами и корнями растений, а также 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 варьироваться от 10 до 100 раз больше, таким образом, потенциально способствуя ингибированию корневого дыхания. [66] Известковые почвы регулируют концентрацию CO 2 с помощью карбонатного буфера , в отличие от кислых почв, в которых весь вдыхаемый CO 2 накапливается в системе почвенных пор. [67] При экстремальных уровнях CO 2 токсичен. [68] Это предполагает возможный контроль отрицательной обратной связи концентрации CO 2 в почве через его ингибирующее воздействие на корневое и микробное дыхание (также называемое почвенным дыханием ). [69] Кроме того, пустоты почвы насыщены водяным паром, по крайней мере, до точки максимальной гигроскопичности , за пределами 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 с уплотнением почвы . [70] Кислород из атмосферы диффундирует в почву, где он потребляется, а уровни углекислого газа, превышающие уровни над атмосферой, диффундируют наружу с другими газами (включая парниковые газы ), а также с водой. [71] Текстура и структура почвы сильно влияют на пористость почвы и диффузию газов. Именно общее поровое пространство ( пористость ) почвы, а не размер пор и степень взаимосвязи пор (или, наоборот, герметизация пор), вместе с содержанием воды, турбулентностью воздуха и температурой, определяют скорость диффузии газов в почву и из нее. [72] [71] Плоская структура почвы и ее уплотнение (низкая пористость) затрудняют поток газа, а недостаток кислорода может побудить анаэробные бактерии восстанавливать (извлекать кислород) из нитрата NO 3 до газов N 2 , N 2 O и NO, которые затем попадают в атмосферу, тем самым истощая почву азотом, этот пагубный процесс называется денитрификацией . [73] Аэрированная почва также является чистым поглотителем метана (CH4 ) [ 74] , но чистым производителем метана (сильно поглощающего тепло парникового газа ), когда почвы обеднены кислородом и подвергаются воздействию повышенных температур. [75]
Почвенная атмосфера также является местом выбросов летучих веществ, отличных от углерода и оксидов азота, из различных почвенных организмов, например, корней, [76] бактерий, [77] грибов, [78] животных. [79] Эти летучие вещества используются в качестве химических сигналов, делая почвенную атмосферу местом сетей взаимодействия [80] [81] , играющих решающую роль в стабильности, динамике и эволюции почвенных экосистем. [82] Биогенные почвенные летучие органические соединения обмениваются с надземной атмосферой, в которой они всего на 1–2 порядка ниже, чем те, что выделяются надземной растительностью. [83]
Люди могут получить некоторое представление о почвенной атмосфере через хорошо известный запах «после дождя», когда просачивающаяся дождевая вода смывает всю почвенную атмосферу после засухи или когда почва выкапывается [84] , основное свойство, приписываемое редукционистским способом определенным биохимическим соединениям, таким как петрикор или геосмин .
Частицы почвы можно классифицировать по их химическому составу ( минералогии ), а также по их размеру. Распределение размера частиц почвы, ее текстура, определяют многие свойства этой почвы, в частности гидравлическую проводимость и водный потенциал , [85] но минералогия этих частиц может сильно изменить эти свойства. Минералогия самых мелких частиц почвы, глины, особенно важна. [86]
Большое количество микробов , животных , растений и грибов живут в почве. Однако биоразнообразие в почве изучать гораздо сложнее, поскольку большая часть этой жизни невидима, поэтому оценки биоразнообразия почвы были 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%). Многие другие группы животных имеют существенные доли видов, живущих в почве, например, около 30% насекомых и около 50% паукообразных . [87] В то время как большинство позвоночных живут над землей (игнорируя водные виды), многие виды являются роющими , то есть они живут в почве, например, большинство слепых змей .
Химия почвы определяет ее способность снабжать растения доступными питательными веществами и влияет на ее физические свойства и здоровье ее живущего населения. Кроме того, химия почвы также определяет ее коррозионную активность , стабильность и способность поглощать загрязняющие вещества и фильтровать воду. Именно поверхностная химия минеральных и органических коллоидов определяет химические свойства почвы. [88] Коллоид — это небольшая нерастворимая частица размером от 1 нанометра до 1 микрометра , таким образом, достаточно малая, чтобы оставаться взвешенной за счет 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 площадь поверхности коллоидов и их чистые электрические заряды дают почве способность удерживать и высвобождать ионы . Отрицательно заряженные участки на коллоидах притягивают и высвобождают катионы в том, что называется катионным обменом . Катионообменная емкость — это количество обменных катионов на единицу веса сухой почвы, которая выражается в миллиэквивалентах положительно заряженных ионов на 100 граммов почвы (или сантимолях положительного заряда на килограмм почвы; смоль с /кг ). Аналогично, положительно заряженные участки на коллоидах могут притягивать и высвобождать анионы в почве, обеспечивая почве анионообменную емкость.
Катионный обмен, происходящий между коллоидами и почвенной водой, буферизует (умеряет) pH почвы, изменяет ее структуру и очищает просачивающуюся воду, адсорбируя катионы всех типов, как полезные, так и вредные.
Отрицательные или положительные заряды на коллоидных частицах делают их способными удерживать катионы или анионы соответственно на своих поверхностях. Заряды возникают из четырех источников. [90]
Катионы, удерживаемые отрицательно заряженными коллоидами, противостоят вымыванию водой и находятся вне досягаемости корней растений, тем самым сохраняя плодородие почвы в районах с умеренным количеством осадков и низкими температурами. [95] [96]
В процессе катионного обмена на коллоидах существует иерархия, поскольку катионы различаются по силе адсорбции коллоидом и, следовательно, по способности замещать друг друга ( ионный обмен ). При наличии 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 добавляется в больших количествах, он может заменить другие чистой силой своих чисел. Это называется законом действия масс . Это в значительной степени то, что происходит при добавлении катионных удобрений ( поташ , известь ). [98]
По мере того, как 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 обменные участки ( протонирование ). Низкий pH может привести к тому, что водород гидроксильных групп будет втянут в раствор, оставляя заряженные участки на коллоиде доступными для занятия другими катионами. Эта ионизация гидроксильных групп на поверхности почвенных коллоидов создает то, что описывается как поверхностные заряды, зависящие от pH. [99] В отличие от постоянных зарядов, возникающих при изоморфном замещении , заряды, зависящие от pH, являются переменными и увеличиваются с ростом pH. [100] Освобожденные катионы могут быть доступны для растений, но также склонны вымываться из почвы, возможно, делая почву менее плодородной. [101] Растения способны выделять H + в почву посредством синтеза органических кислот и таким образом изменять pH почвы вблизи корня и выталкивать катионы из коллоидов, тем самым делая их доступными для растения. [102]
Емкость катионного обмена — это способность почвы удалять катионы из водного раствора почвы и изолировать те, которые будут заменены позже, когда корни растений выделяют ионы водорода в раствор. [103] ЕКО — это количество обменного катиона водорода (H + ), которое будет связываться со 100 граммами сухого веса почвы и мера которого составляет один миллиэквивалент на 100 граммов 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, с атомным весом в 40 раз больше водорода и с валентностью два, преобразуется в (40 ÷ 2) × 1 миллиэквивалент = 20 миллиэквивалентов иона водорода на 100 граммов сухой почвы или 20 мэкв/100 г. [104] Современная мера ЕКО выражается в сантимолях положительного заряда на килограмм (смоль/кг) высушенной в печи почвы.
Большая часть ЕКО почвы приходится на глинистые и гумусовые коллоиды, а их отсутствие в жарком, влажном, сыром климате (например, в тропических лесах ) из-за выщелачивания и разложения соответственно объясняет кажущуюся стерильность тропических почв. [105] Живые корни растений также имеют некоторую ЕКО, связанную с их удельной площадью поверхности. [106]
Емкость обмена анионов — это способность почвы удалять анионы (такие как нитрат , фосфат ) из водного раствора почвы и изолировать их для последующего обмена, поскольку корни растений выделяют карбонатные анионы в водный раствор почвы. [108] Те коллоиды, которые имеют низкую CEC, как правило, имеют некоторую AEC. Аморфные и полуторные оксидные глины имеют самую высокую AEC, [109] за ними следуют оксиды железа. [110] Уровни AEC намного ниже, чем для CEC, из-за, как правило, более высокой скорости положительно (по сравнению с отрицательно) заряженных поверхностей на коллоидах почвы, за исключением почв с переменным зарядом. [111] Фосфаты, как правило, удерживаются на участках обмена анионов. [112]
Глины гидроксида железа и алюминия способны обменивать свои анионы гидроксида (ОН− ) на другие анионы. [108] Порядок, отражающий силу адгезии анионов, 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 заставляют их переходить в раствор и из хранилища; следовательно, AEC уменьшается с повышением pH (щелочности). [113]
Реактивность почвы выражается через pH и является мерой кислотности или щелочности почвы. Точнее, это мера концентрации гидроксония в водном растворе и варьируется в пределах от 0 до 14 (от кислого до основного), но на практике для почв pH варьируется от 3,5 до 9,5, поскольку значения pH за пределами этих крайностей токсичны для форм жизни. [114]
При 25 °C водный раствор с pH 3,5 имеет 10−3,5 моль H3O + ( ионов гидроксония) на литр раствора (а также 10−10,5 моль на литр OH− ) . pH 7, определяемый как нейтральный, имеет 10−7 моль ионов гидроксония на литр раствора, а также 10−7 моль OH− на литр; поскольку две концентрации равны, говорят, что они нейтрализуют друг друга. pH 9,5 имеет 10−9,5 моль ионов гидроксония на литр раствора (а также 10−2,5 моль на литр OH− ) . Раствор с pH 3,5 содержит в миллион раз больше ионов гидроксония на литр, чем раствор с pH 9,5 ( 9,5 − 3,5 = 6 или 10 6 ), и является более кислым. [115]
Влияние pH на почву заключается в удалении из почвы или предоставлении определенных ионов. 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 для растений при умеренном pH, [117] хотя большинство минералов более растворимы в кислых почвах. Почвенным организмам мешает высокая кислотность, и большинство сельскохозяйственных культур лучше всего себя чувствуют 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) положительно заряжены, поскольку катионы, а органические загрязнители находятся в неионной форме, поэтому оба они более доступны для организмов, [119] [120] было высказано предположение, что растения, животные и микробы, обычно живущие в кислых почвах, предварительно адаптированы к любому виду загрязнения, как естественного, так и антропогенного происхождения. [121]
В районах с большим количеством осадков почвы имеют тенденцию к подкислению, поскольку основные катионы вытесняются из почвенных коллоидов массовым действием ионов гидроксония из обычной или необычной кислотности дождя против тех, которые прикреплены к коллоидам. Высокие нормы осадков затем могут вымывать питательные вещества, оставляя почву населенной только теми организмами, которые особенно эффективны для поглощения питательных веществ в очень кислых условиях, как в тропических лесах . [122] После того, как коллоиды насыщаются H 3 O + , добавление любых дополнительных ионов гидроксония или катионов гидроксила алюминия еще больше снижает pH (становится более кислым), поскольку почва остается без буферной емкости. [123] В районах с экстремальными осадками и высокими температурами глина и гумус могут вымываться, что еще больше снижает буферную емкость почвы. [124] В районах с низким количеством осадков невыщелоченный кальций повышает pH до 8,5, а с добавлением обменного натрия pH почвы может достичь 10. [125] При pH выше 9 рост растений замедляется. [126] Высокий pH приводит к низкой подвижности микроэлементов , но водорастворимые хелаты этих питательных веществ могут исправить дефицит. [127] Содержание натрия можно уменьшить путем добавления гипса (сульфата кальция), поскольку кальций крепче прилипает к глине, чем натрий, в результате чего натрий выталкивается в водный раствор почвы, откуда он может быть вымыт обилием воды. [128] [129]
Существуют кислотообразующие катионы (например, гидроксоний, алюминий, железо) и есть катионы, образующие основания (например, кальций, магний, натрий). Доля отрицательно заряженных участков обмена коллоидами почвы (CEC), которые заняты катионами, образующими основания, называется насыщенностью основаниями . Если почва имеет CEC 20 мэкв, а 5 мэкв составляют катионы алюминия и гидроксония (кислотообразующие), то предполагается, что оставшиеся позиции в коллоидах ( 20 − 5 = 15 мэкв ) заняты катионами, образующими основания, так что насыщенность основаниями составляет 15 ÷ 20 × 100% = 75% (дополнительные 25% предполагаются кислотообразующими катионами). Насыщенность основаниями почти прямо пропорциональна pH (она увеличивается с увеличением pH). [130] Это полезно 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 стремиться восстановить исходное состояние pH, поскольку они выталкиваются из этих коллоидов кальцием добавленной извести. [132]
Устойчивость почвы к изменению pH в результате добавления кислотного или основного материала является мерой буферной емкости почвы и (для определенного типа почвы) увеличивается с увеличением CEC. Следовательно, чистый песок практически не имеет буферной емкости, хотя почвы с высоким содержанием коллоидов (минеральных или органических) имеют высокую буферную емкость . [133] Буферизация происходит путем катионного обмена и нейтрализации . Однако коллоиды не являются единственными регуляторами pH почвы. Следует также подчеркнуть роль карбонатов . [134] В более общем плане, в зависимости от уровней pH, несколько буферных систем имеют приоритет друг над другом, от буферного диапазона карбоната кальция до буферного диапазона железа. [135]
Добавление небольшого количества высокоосновного водного раствора аммиака в почву приведет к вытеснению аммонием ионов гидроксония из коллоидов, а конечным продуктом будет вода и коллоидно-связанный аммоний, но при этом общее постоянное изменение pH почвы будет незначительным.
Добавление небольшого количества извести , Ca(OH) 2 , вытеснит ионы гидроксония из почвенных коллоидов, вызывая фиксацию кальция в коллоидах и выделение CO2 и воды, при этом не произойдет постоянного изменения pH почвы.
Выше приведены примеры буферизации pH почвы. Общий принцип заключается в том, что увеличение определенного катиона в водном растворе почвы приведет к фиксации этого катиона в коллоидах (буферизация), а уменьшение раствора этого катиона приведет к его изъятию из коллоида и перемещению в раствор (буферизация). Степень буферизации часто связана с CEC почвы; чем больше CEC, тем больше буферная емкость почвы. [136]
Химические реакции в почве включают некоторую комбинацию переноса протонов и электронов. Окисление происходит, если в процессе переноса происходит потеря электронов, тогда как восстановление происходит, если происходит приобретение электронов. Восстановительный потенциал измеряется в вольтах или милливольтах. Микробные сообщества почвы развиваются вдоль цепей переноса электронов , образуя электропроводящие биопленки и развивая сети бактериальных нанопроводов .
Факторы редокса в развитии почвы, где формирование редоксморфных цветовых особенностей дает важную информацию для интерпретации почвы. Понимание градиента редокса важно для управления секвестрацией углерода, биоремедиацией, разграничением водно-болотных угодий и микробными топливными элементами на основе почвы .
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 их жизненного цикла, считаются необходимыми питательными веществами . Питательные вещества, которые усиливают рост растений, но не являются необходимыми для завершения жизненного цикла растения, считаются несущественными. За исключением углерода, водорода и кислорода, которые поставляются углекислым газом и водой, и азота, обеспечиваемого посредством азотфиксации, [140] питательные вещества изначально происходят из минерального компонента почвы. Закон минимума гласит, что когда доступная форма питательного вещества не находится в достаточной пропорции в почвенном растворе, то другие питательные вещества не могут быть усвоены растением в оптимальном темпе. [141] Таким образом, для оптимизации роста растений обязательно определенное соотношение питательных веществ в почвенном растворе, значение, которое может отличаться от соотношений питательных веществ, рассчитанных на основе состава растения. [142]
Поглощение питательных веществ растениями может происходить только тогда, когда они присутствуют в доступной для растений форме. В большинстве случаев питательные вещества поглощаются в ионной форме из (или вместе с) почвенной воды. Хотя минералы являются источником большинства питательных веществ, и основная часть большинства питательных элементов в почве удерживается в кристаллической форме в первичных и вторичных минералах , они слишком медленно выветриваются, чтобы поддерживать быстрый рост растений. Например, внесение тонкоизмельченных минералов, полевого шпата и апатита , в почву редко обеспечивает необходимое количество калия и фосфора со скоростью, достаточной для хорошего роста растений, поскольку большинство питательных веществ остаются связанными в кристаллах этих минералов. [143]
Питательные вещества, адсорбированные на поверхностях глинистых коллоидов и органического вещества почвы, обеспечивают более доступный резервуар многих питательных веществ для 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, посредством которого растворимый пул питательных веществ пополняется — это важно для поставки доступных для растений N, S, P и B из почвы. [144]
Грамм за граммом, способность гумуса удерживать питательные вещества и воду намного больше, чем у глинистых минералов, большая часть катионообменной способности почвы обусловлена заряженными карбоксильными группами на органическом веществе. [145] Однако, несмотря на большую способность гумуса удерживать воду после пропитывания водой, его высокая гидрофобность снижает его смачиваемость после высыхания. [146] В целом, небольшие количества гумуса могут значительно увеличить 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 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 работают над разрушением мертвого органического вещества. [149] [150] Если бы не действие этих микроорганизмов, вся часть углекислого газа атмосферы была бы изолирована в виде органического вещества в почве. Однако в то же время почвенные микробы способствуют секвестрации углерода в верхнем слое почвы посредством образования стабильного гумуса. [151] В целях секвестрации большего количества углерода в почве для смягчения парникового эффекта было бы более эффективно в долгосрочной перспективе стимулировать гумифицирование , чем уменьшать разложение подстилки . [152]
Основная часть органического вещества почвы представляет собой сложную совокупность небольших органических молекул, которые в совокупности называются гумусом или гуминовыми веществами. Использование этих терминов, которые не опираются на четкую химическую классификацию, считается устаревшим. [153] Другие исследования показали, что классическое понятие молекулы не подходит для гумуса, который избежал большинства попыток, предпринятых в течение двух столетий, чтобы разложить его на единичные компоненты, но все еще химически отличается от полисахаридов, лигнинов и белков. [154]
Большинство живых существ в почвах, включая растения, животных, бактерии и грибы, зависят от органического вещества для получения питательных веществ и/или энергии. Почвы содержат органические соединения в различной степени разложения, скорость которого зависит от температуры, влажности почвы и аэрации. Бактерии и грибы питаются сырым органическим веществом, которым питаются простейшие , которыми, в свою очередь, питаются нематоды , кольчатые черви и членистоногие , которые сами способны потреблять и преобразовывать сырое или гумифицированное органическое вещество. Это было названо пищевой сетью почвы , через которую все органическое вещество обрабатывается как в пищеварительной системе . [155] Органическое вещество удерживает почвы открытыми, позволяя просачиваться воздуху и воде, и может удерживать в воде в два раза больше своего веса. Многие почвы, включая пустынные и каменисто-гравийные почвы, содержат мало или совсем не содержат органического вещества. Почвы, которые полностью состоят из органического вещества, такие как торф ( гистосоли ), бесплодны. [156] На самой ранней стадии разложения исходный органический материал часто называют сырым органическим веществом. Конечная стадия разложения называется гумусом.
На пастбищах большая часть органического вещества, добавляемого в почву, поступает из глубоких, волокнистых, корневых систем трав. Напротив, листья деревьев, падающие на лесную подстилку, являются основным источником органического вещества почвы в лесу. Другое отличие заключается в частом возникновении на пастбищах пожаров, которые уничтожают большое количество надземного материала, но стимулируют еще больший вклад корней. Кроме того, гораздо большая кислотность под любыми лесами подавляет действие определенных почвенных организмов, которые в противном случае смешали бы большую часть поверхностного опада с минеральной почвой. В результате почвы под пастбищами обычно образуют более толстый горизонт А с более глубоким распределением органического вещества, чем в сопоставимых почвах под лесами, которые характеризуются тем, что хранят большую часть своего органического вещества в лесной подстилке ( горизонт О ) и тонкий горизонт А. [157]
Гумус относится к органическому веществу, которое было разложено почвенной микрофлорой и фауной до такой степени, что оно устойчиво к дальнейшему разложению. Гумус обычно составляет всего пять процентов почвы или меньше по объему, но он является важным источником питательных веществ и добавляет 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 имеет высокую катионную и анионную обменную способность, которая в расчете на сухой вес во много раз больше, чем у глинистых коллоидов. Он также действует как буфер, как глина, против изменений pH и влажности почвы. [161]
Гуминовые кислоты и фульвокислоты , которые начинаются как сырое органическое вещество, являются важными составляющими гумуса. После смерти растений, животных и микробов микробы начинают питаться остатками посредством производства внеклеточных почвенных ферментов, что в конечном итоге приводит к образованию гумуса. [162] По мере распада остатков остаются только молекулы, состоящие из алифатических и ароматических углеводородов, собранные и стабилизированные кислородными и водородными связями, в форме сложных молекулярных ассоциаций, которые в совокупности называются гумусом. [154] Гумус никогда не бывает чистым в почве, потому что он реагирует с металлами и глинами, образуя комплексы, которые дополнительно способствуют его стабильности и структуре почвы. [161] Хотя структура гумуса сама по себе содержит мало питательных веществ (за исключением таких основных металлов, как кальций, железо и алюминий), она способна притягивать и связывать слабыми связями катионные и анионные питательные вещества, которые затем могут высвобождаться в почвенный раствор в ответ на избирательное поглощение корнями и изменения pH почвы, процесс первостепенной важности для поддержания плодородия тропических почв. [163]
Лигнин устойчив к распаду и накапливается в почве. Он также реагирует с белками , [164] что еще больше увеличивает его устойчивость к разложению, включая ферментативное разложение микробами. [165] Жиры и воски из растительного материала обладают еще большей устойчивостью к разложению и сохраняются в почвах в течение тысяч лет, отсюда их использование в качестве трассеров 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 обычно легко разлагаются, за исключением склеропротеинов , но при связывании с глинистыми частицами они становятся более устойчивыми к разложению. [168] Что касается других белков, глинистые частицы поглощают ферменты, выделяемые микробами, снижая активность ферментов и защищая внеклеточные ферменты от деградации. [169] Добавление органического вещества в глинистые почвы может сделать это органическое вещество 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 танина в почве может привести к секвестрации азота в виде устойчивых комплексов танина и белка. [172] [173]
Образование гумуса — это процесс, зависящий от количества растительного материала, добавляемого каждый год, и типа базовой почвы. На оба фактора 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 резерв азота и фосфора, является жизненно важным компонентом, влияющим на плодородие почвы . [156] Гумус также поглощает воду и 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 восстанавливается микробным разложением, и со временем его концентрация уменьшается без добавления нового органического вещества. Однако гумус в своих наиболее стабильных формах может сохраняться в течение столетий, если не тысячелетий. [175] Древесный уголь является источником высокостабильного гумуса, называемого черным углеродом , [176] который традиционно использовался для повышения плодородия бедных питательными веществами тропических почв. Эта очень древняя практика, как установлено в генезисе амазонских темных земель , была возобновлена и стала популярной под названием биоуголь . Было высказано предположение, что биоуголь может быть использован для секвестрации большего количества углерода в борьбе с парниковым эффектом. [177]
Производство, накопление и деградация органического вещества в значительной степени зависят от климата. Например, когда происходит оттаивание , поток почвенных газов с атмосферными газами значительно влияет. [178] Температура, влажность почвы и рельеф являются основными факторами, влияющими на накопление органического вещества в почвах. Органическое вещество имеет тенденцию накапливаться во влажных или холодных условиях, где активность деструкторов затруднена низкой температурой [179] или избыточной влажностью, что приводит к анаэробным условиям. [180] И наоборот, чрезмерные дожди и высокие температуры тропического климата способствуют быстрому разложению органического вещества и выщелачиванию питательных веществ для растений. Лесные экосистемы на этих почвах полагаются на эффективную переработку питательных веществ и растительного вещества живыми растениями и микробной биомассой для поддержания своей продуктивности, процесс, который нарушается деятельностью человека. [181] Чрезмерный уклон, в частности, при наличии обработки в целях сельского хозяйства, может способствовать эрозии верхнего слоя почвы, который содержит большую часть сырого органического материала, который в противном случае в конечном итоге стал бы гумусом. [182]
Типичные типы и процентное содержание компонентов растительных остатков
Целлюлоза и гемицеллюлоза быстро разлагаются грибами и бактериями, период полураспада составляет 12–18 дней в умеренном климате. [183] Грибы бурой гнили могут разлагать целлюлозу и гемицеллюлозу, оставляя лигнин и фенольные соединения . Крахмал , который является системой хранения энергии для растений, быстро разлагается бактериями и грибами. Лигнин состоит из полимеров , состоящих из 500–600 единиц с сильно разветвленной аморфной структурой, связанной с целлюлозой, гемицеллюлозой и пектином в стенках растительных клеток . Лигнин очень медленно разлагается, в основном грибами белой гнили и актиномицетами ; его период полураспада в умеренных условиях составляет около шести месяцев. [183]
Горизонтальный слой почвы, физические характеристики, состав и возраст которого отличаются от характеристик, расположенных выше и ниже, называется почвенным горизонтом. Название горизонта основано на типе материала, из которого он состоит. Эти материалы отражают продолжительность определенных процессов почвообразования. Они маркируются с помощью сокращенной записи букв и цифр, которые описывают горизонт с точки зрения его цвета, размера, текстуры, структуры, консистенции, количества корней, pH, пустот, характеристик границ и наличия узелков или конкреций. [184] Ни один почвенный профиль не имеет всех основных горизонтов. Некоторые, называемые энтисолями , могут иметь только один горизонт или в настоящее время считаются не имеющими горизонта, в частности, зарождающиеся почвы из невосстановленных месторождений отходов горнодобывающей промышленности , [185] морен , [186] вулканических конусов [187] песчаных дюн или аллювиальных террас . [188] Верхние горизонты почвы могут отсутствовать в усеченных почвах после ветровой или водной абляции с сопутствующим захоронением почвенных горизонтов вниз по склону, естественный процесс, усугубляемый сельскохозяйственными приемами, такими как обработка почвы. [189] Рост деревьев является еще одним источником возмущения, создавая микромасштабную неоднородность, которая все еще видна в почвенных горизонтах после того, как деревья погибли. [190] Переходя от горизонта к горизонту, сверху вниз по почвенному профилю, вы возвращаетесь назад во времени, с прошлыми событиями, зарегистрированными в почвенных горизонтах, как в слоях отложений . Отбор проб пыльцы , раковинных амеб и остатков растений в почвенных горизонтах может помочь выявить изменения окружающей среды (например, изменение климата, изменение землепользования ), которые произошли в ходе формирования почвы. [191] Почвенные горизонты можно датировать несколькими методами, такими как радиоуглеродный , с использованием кусков древесного угля, при условии, что они достаточно велики, чтобы избежать педотурбации , вызванной деятельностью дождевых червей и другими механическими возмущениями. [192] Ископаемые почвенные горизонты палеопочв можно обнаружить в осадочных породах , что позволяет изучать прошлые среды. [193]
Воздействие на материнский материал благоприятных условий приводит к образованию минеральных почв, которые в минимальной степени подходят для роста растений, как в случае с эродированными почвами. [194] Рост растительности приводит к образованию органических остатков, которые падают на землю в качестве подстилки для надземных частей растений ( листовая подстилка ) или непосредственно производятся под землей для подземных органов растений (корневая подстилка), а затем высвобождают растворенное органическое вещество . [195] Оставшийся поверхностный органический слой, называемый горизонтом О , производит более активную почву из-за воздействия организмов, которые живут в нем. Организмы колонизируют и разрушают органические материалы, делая доступными питательные вещества, на которых могут жить другие растения и животные. [196] По прошествии достаточного времени гумус перемещается вниз и откладывается в отличительном органо-минеральном поверхностном слое, называемом горизонтом А, в котором органическое вещество смешивается с минеральным веществом посредством деятельности роющих животных, процесс, называемый педотурбацией. Этот естественный процесс не доходит до конца при наличии условий, пагубных для жизни почвы, таких как сильная кислотность, холодный климат или загрязнение, что приводит к накоплению неразложившегося органического вещества в пределах одного органического горизонта, залегающего над минеральной почвой [197] , и к сопоставлению гумифицированного органического вещества и минеральных частиц, без тесного смешивания, в нижележащих минеральных горизонтах. [198]
Одна из первых систем классификации почв была разработана русским ученым Василием Докучаевым около 1880 года. [199] Она была несколько раз изменена американскими и европейскими исследователями и была разработана в систему, которая широко использовалась до 1960-х годов. Она была основана на идее, что почвы имеют определенную морфологию, основанную на материалах и факторах, которые их формируют. В 1960-х годах начала появляться другая система классификации, которая фокусировалась на морфологии почвы, а не на исходных материалах и факторах почвообразования. С тех пор она претерпела дальнейшие изменения. Всемирная справочная база по почвенным ресурсам [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. Типы почвы и доступная влажность определяют виды растений, которые можно выращивать. Сельскохозяйственное почвоведение было первобытной областью знаний о почве задолго до появления педологии в 19 веке. Однако, как показали аэропоника , аквапоника и гидропоника , почвенный материал не является абсолютно необходимым для сельского хозяйства, и системы беспочвенного земледелия были заявлены как будущее сельского хозяйства для бесконечно растущего человечества. [201]
Почвенный материал также является важнейшим компонентом в горнодобывающей промышленности, строительстве и ландшафтном дизайне. [202] Почва служит основой для большинства строительных проектов. Перемещение огромных объемов почвы может быть связано с открытыми горными работами , строительством дорог и плотин . Укрытие землей — это архитектурная практика использования почвы для внешней тепловой массы против стен зданий. Многие строительные материалы основаны на почве. Потеря почвы из-за урбанизации растет высокими темпами во многих областях 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% потребляемой человеком пищи. [204] Почва обеспечивает растения минералами и водой в соответствии с несколькими процессами, участвующими в питании растений. Почва впитывает дождевую воду и выделяет ее позже, тем самым предотвращая наводнения и засухи, регулирование наводнений является одной из основных экосистемных услуг, предоставляемых 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, сороконожек , улиток , слизней , клещей , ногохвосток , энхитреид , нематод , простейших ), бактерий, архей , грибов и водорослей ; и большинство организмов , живущих над землей, имеют часть из них ( растения ) или проводят часть своего жизненного цикла ( насекомые ) под землей . [207] Надземное и подземное биоразнообразие тесно взаимосвязаны, [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 земледелия и выпаса скота привели к деградации почв и выбросу значительной части этого изолируемого углерода в атмосферу. Восстановление почв мира может компенсировать эффект увеличения выбросов парниковых газов и замедлить глобальное потепление, одновременно повышая урожайность и сокращая потребность в воде. [209] [210] [211]
Управление отходами часто имеет почвенный компонент. Септические дренажные поля очищают стоки септических резервуаров с использованием аэробных почвенных процессов. Применение сточных вод в земле зависит от почвенной биологии для аэробной очистки БПК . В качестве альтернативы, свалки используют почву для ежедневного покрытия , изолируя отложения отходов от атмосферы и предотвращая неприятные запахи. Компостирование в настоящее время широко используется для аэробной обработки твердых бытовых отходов и высушенных стоков отстойников . Хотя компост не является почвой, биологические процессы, происходящие во время компостирования, аналогичны тем, которые происходят во время разложения и гумификации органического вещества почвы. [212]
Органические почвы, особенно торф, служат важным топливом и садоводческим ресурсом. Торфяные почвы также широко используются в сельском хозяйстве в странах Северной Европы, поскольку торфяные угодья при осушении обеспечивают плодородные почвы для производства продуктов питания. [213] Однако обширные площади производства торфа, такие как дождевые сфагновые болота , также называемые покровными болотами или верховыми болотами , теперь защищены из-за их родового интереса. Например, Flow Country , охватывающая 4000 квадратных километров холмистых пространств покровных болот в Шотландии, теперь является кандидатом на включение в Список всемирного наследия . В условиях современного глобального потепления торфяные почвы, как полагают, участвуют в самоусиливающемся (положительная обратная связь) процессе увеличения выбросов парниковых газов (метана и углекислого газа) и повышения температуры, [214] утверждение, которое все еще обсуждается при замене в полевых масштабах и включении стимулированного роста растений. [215]
Геофагия — это практика употребления в пищу веществ, похожих на почву. И животные, и люди иногда потребляют почву в медицинских, рекреационных или религиозных целях. [216] Было показано, что некоторые обезьяны потребляют почву вместе со своей любимой пищей ( листва деревьев и фрукты ), чтобы смягчить токсичность танина. [217]
Почвы фильтруют и очищают воду и влияют на ее химический состав. Дождевая вода и запруженная вода из прудов, озер и рек просачиваются через горизонты почвы и верхние слои горных пород , таким образом становясь грунтовыми водами . Вредители ( вирусы ) и загрязняющие вещества , такие как стойкие органические загрязнители ( хлорированные пестициды , полихлорированные бифенилы ), масла ( углеводороды ), тяжелые металлы ( свинец , цинк, кадмий ) и избыток питательных веществ (нитраты, сульфаты , фосфаты) отфильтровываются почвой. [218] Почвенные организмы метаболизируют их или иммобилизуют их в своей биомассе и некромассе, [219] тем самым включая их в стабильный гумус. [220] Физическая целостность почвы также является предпосылкой для предотвращения оползней в пересеченных ландшафтах. [221]
Деградация земель – это вызванный человеком или естественный процесс, который ухудшает способность земли функционировать. [222] Деградация почв включает в себя подкисление , загрязнение , опустынивание , эрозию или засоление . [223]
Подкисление почвы полезно в случае щелочных почв , но оно ухудшает состояние земли, когда снижает урожайность сельскохозяйственных культур , биологическую активность почвы и увеличивает уязвимость почвы к загрязнению и эрозии. Почвы изначально кислые и остаются такими, когда их исходные материалы содержат мало основных катионов (кальция, магния, калия и натрия ). На исходных материалах, более богатых выветриваемыми минералами, подкисление происходит, когда основные катионы вымываются из почвенного профиля осадками или вывозятся за счет сбора лесных или сельскохозяйственных культур. Подкисление почвы ускоряется при использовании кислотообразующих азотных удобрений и под воздействием кислотных осадков . Вырубка лесов является еще одной причиной подкисления почвы, опосредованной повышенным выщелачиванием питательных веществ почвы при отсутствии полога деревьев . [224]
Загрязнение почвы на низких уровнях часто находится в пределах способности почвы обрабатывать и усваивать отходы . Почвенная биота может обрабатывать отходы, преобразуя их, в основном посредством микробной ферментативной активности. [225] Органическое вещество почвы и почвенные минералы могут адсорбировать отходы и снижать их токсичность , [226] хотя в коллоидной форме они могут переносить адсорбированные загрязнители в подземные среды. [227] Многие процессы переработки отходов основаны на этой естественной способности к биоремедиации . Превышение способности к очистке может повредить почвенную биоту и ограничить функцию почвы. Заброшенные почвы возникают там, где промышленное загрязнение или другая деятельность по освоению наносят ущерб почве до такой степени, что земля не может использоваться безопасно или продуктивно. Рекультивация заброшенной почвы использует принципы геологии, физики, химии и биологии для деградации, смягчения, изоляции или удаления загрязнителей почвы для восстановления функций и ценностей почвы . Методы включают выщелачивание , воздушное промывание , почвенные кондиционеры , фиторемедиацию , биоремедиацию и контролируемое естественное затухание . Примером диффузного загрязнения загрязняющими веществами является накопление меди в виноградниках и садах , к которым постоянно применяются фунгициды, даже в органическом земледелии . [228]
Микроволокна из синтетических тканей являются еще одним типом загрязнения почвы пластиком, 100% образцов сельскохозяйственной почвы из юго-западного Китая содержали пластиковые частицы, 92% из которых были микроволокнами. Источниками микроволокон, вероятно, были веревки или шпагаты, а также поливная вода, в которой стирали одежду. [229]
Применение биотвердых веществ из осадка сточных вод и компоста может привести к попаданию микропластика в почву. Это увеличивает нагрузку микропластика из других источников (например, из атмосферы). Примерно половина осадка сточных вод в Европе и Северной Америке применяется на сельскохозяйственных землях. В Европе было подсчитано, что на каждый миллион жителей ежегодно в сельскохозяйственные почвы добавляется от 113 до 770 тонн микропластика. [229]
Опустынивание , экологический процесс деградации экосистемы 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 обычны для засушливых и полузасушливых земель. Хорошо управляемые земли могут восстановиться после засухи, когда вернутся дожди. Инструменты управления почвой включают поддержание уровня питательных веществ и органических веществ в почве, уменьшенную обработку почвы и увеличение покрытия. [231] Эти методы помогают контролировать эрозию и поддерживать производительность в периоды, когда доступна влага. Однако продолжающееся злоупотребление землей во время засухи усиливает деградацию земель . Увеличение населения и давления скота на маргинальные земли ускоряет опустынивание. [232] В настоящее время ставится под сомнение, будет ли современное потепление климата способствовать или не способствовать опустыниванию, с противоречивыми сообщениями о прогнозируемых тенденциях осадков, связанных с повышением температуры, и сильными расхождениями между регионами, даже в одной и той же стране. [233]
Эрозия почвы вызывается водой , ветром , льдом и движением в ответ на силу тяжести . Одновременно может происходить более одного вида эрозии. Эрозия отличается от выветривания , поскольку эрозия также переносит эродированную почву от места ее происхождения (почва в пути может быть описана как осадок ). Эрозия является внутренним естественным процессом, но во многих местах она значительно усиливается деятельностью человека, особенно неподходящими методами землепользования. [234] К ним относятся сельскохозяйственная деятельность, которая оставляет почву голой во время сильных дождей или ветров, чрезмерный выпас скота , вырубка лесов и неправильная строительная деятельность. Улучшенное управление может ограничить эрозию. Применяемые методы сохранения почвы включают изменение землепользования (например, замену подверженных эрозии культур травой или другими почвосвязывающими растениями), изменение сроков или типа сельскохозяйственных работ, 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 местах, подверженных эрозии, таких как крутые склоны. [235] Исторически одним из лучших примеров крупномасштабной эрозии почвы из-за неподходящих методов землепользования является ветровая эрозия (так называемая пыльная буря ), которая разрушила американские и канадские прерии в 1930-х годах, когда фермеры-иммигранты, поощряемые федеральным правительством обеих стран, поселились и превратили первоначальные низкотравные прерии в земли для выращивания сельскохозяйственных культур и разведения крупного рогатого скота .
Серьёзная и длительная проблема водной эрозии наблюдается в Китае , в среднем течении реки Хуанхэ и верхнем течении реки Янцзы . Из реки Хуанхэ в океан ежегодно поступает более 1,6 млрд тонн осадка. Осадок образуется в основном в результате водной эрозии (овражной эрозии) в районе Лессового плато на северо-западе Китая. [236]
Почвенный трубопровод — это особая форма эрозии почвы, которая происходит под поверхностью почвы. [237] Это приводит к разрушению дамб и плотин, а также образованию карстовых воронок . Турбулентный поток удаляет почву, начиная с устья просачивающегося потока , и эрозия подпочвы продвигается вверх по градиенту. [238] Термин «песчаное кипение» используется для описания внешнего вида разгрузочного конца активной почвенной трубы. [239]
Засоление почвы — это накопление свободных солей в такой степени, что это приводит к деградации сельскохозяйственной ценности почв и растительности. Последствия включают коррозионные повреждения, снижение роста растений, эрозию из-за потери растительного покрова и структуры почвы, а также проблемы с качеством воды из-за седиментации . Засоление происходит из-за сочетания естественных и антропогенных процессов. Засушливые условия способствуют накоплению соли. Это особенно очевидно, когда материнская почва засоленна. Орошение засушливых земель особенно проблематично. [240] Вся оросительная вода имеет определенный уровень солености. Орошение, особенно когда оно включает утечку из каналов и чрезмерное орошение в поле, часто повышает уровень подстилающих грунтовых вод . Быстрое засоление происходит, когда поверхность земли находится в пределах капиллярной каймы соленых грунтовых вод. Контроль засоления почвы включает контроль уровня грунтовых вод и промывку более высокими уровнями применяемой воды в сочетании с дренажем плитки или другой формой подземного дренажа . [241] [242]
Почвы, которые содержат высокие уровни определенных глин с высокими набухающими свойствами, такими 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 производстве риса поставило эти почвы под угрозу, заставив фермеров внедрять интегрированные методы, основанные на принципах сокращения затрат. [243]
Однако многие фермеры в тропических районах испытывают трудности с сохранением органического вещества и глины в почвах, с которыми они работают. Например, в последние годы производительность снизилась, а эрозия почвы увеличилась в почвах с низким содержанием глины на севере Таиланда после отказа от сменной обработки земли в пользу более постоянного землепользования. [244] Первоначально фермеры отреагировали добавлением органического вещества и глины из материала термитников , но в долгосрочной перспективе это оказалось невозможным из-за разрежения термитников. Ученые экспериментировали с добавлением в почву бентонита , одного из представителей семейства смектитовых глин. В полевых испытаниях, проведенных учеными из Международного института управления водными ресурсами (IWMI) в сотрудничестве с Университетом Кхонкэн и местными фермерами, это помогло сохранить воду и питательные вещества. Дополнение обычной практики фермера однократным внесением 200 килограммов на рай (1300 кг/га; 1100 фунтов/акр) бентонита привело к среднему увеличению урожайности на 73%. [245] Другие исследования показали, что внесение бентонита в деградированные песчаные почвы снизило 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 применяли бентонит на своих полях. Среднее улучшение для тех, кто использовал глиняную добавку, было на 18% выше, чем для тех, кто не использовал глину. Использование глины позволило некоторым фермерам перейти на выращивание овощей, которым нужна более плодородная почва. Это помогло увеличить их доход. Исследователи подсчитали, что 200 фермеров на северо-востоке Таиланда и 400 в Камбодже перешли на использование глины, и что еще 20 000 фермеров были ознакомлены с новой технологией. [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 измельченная древесина или компост , в почву, обедненную питательными веществами и слишком богатую песком, повысит ее качество и улучшит производительность. [249] [250]
Особо следует упомянуть об использовании древесного угля и, в более общем плане , биоугля для улучшения бедных питательными веществами тропических почв, процесс, основанный на более высоком плодородии антропогенных доколумбовых амазонских темных земель , также называемых Terra Preta de Índio, из-за интересных физических и химических свойств почвенного черного углерода как источника стабильного гумуса. [251] Однако неконтролируемое применение обугленных отходов всех видов может поставить под угрозу жизнь в почве и здоровье человека. [252]
История изучения почвы тесно связана с острой потребностью людей в обеспечении себя пищей и кормом для своих животных. На протяжении всей истории цивилизации процветали или приходили в упадок в зависимости от доступности и производительности их почв. [253]
Греческий историк Ксенофонт (450–355 гг. до н. э. ) был первым, кто разъяснил достоинства сидеральных культур: «Но тогда все сорняки, которые есть на земле, будучи превращены в землю, обогащают почву так же, как и навоз». [254]
В труде Колумеллы « О земледелии» , написанном около 60 г. н. э. , отстаивалось использование извести и то, что клевер и люцерна ( зеленое удобрение ) должны быть перекопаны, [255] и использовались 15 поколениями (450 лет) в Римской империи до ее распада. [254] [256] От падения Рима до Французской революции знания о почве и сельском хозяйстве передавались от родителей к детям, и в результате урожайность была низкой. В европейское Средневековье руководство Яхьи ибн аль-Аввама [257] с его акцентом на ирригации направляло народы Северной Африки, Испании и Ближнего Востока ; перевод этой работы был наконец доставлен на юго-запад Соединенных Штатов, когда они находились под испанским влиянием. [258] Оливье де Серр , которого считают 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 Le Théâtre d'Agriculture et mesnage des champs [259] способствовала возникновению современного устойчивого сельского хозяйства и краху старых сельскохозяйственных практик , таких как улучшение почвы для сельскохозяйственных культур путем подъема лесной подстилки и ассартинга , которые разрушили почвы Западной Европы в Средние века и даже позже в зависимости от регионов. [260]
Эксперименты по изучению того, что заставляет растения расти первыми, привели к идее, что зола, оставшаяся после сжигания растительного материала, была основным элементом, но при этом упускалась из виду роль азота, который не остается на земле после сгорания, убеждение, которое преобладало до 19 века. [261] Около 1635 года фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт думал, что он доказал, что вода является основным элементом, с помощью своего знаменитого пятилетнего эксперимента с ивой, выращенной только с добавлением дождевой воды. Его вывод основывался на том факте, что увеличение веса растения, по-видимому, было вызвано только добавлением воды, без уменьшения веса почвы. [262] [263] [264] Джон Вудворд ( ум. 1728) экспериментировал с различными типами воды, от чистой до мутной, и обнаружил, что мутная вода является лучшей, и поэтому он пришел к выводу, что основным элементом является земляное вещество. Другие пришли к выводу, что это гумус в почве передает некоторую сущность растущему растению. Другие же считали, что жизненный принцип роста был чем-то, что передавалось от мертвых растений или животных к новым растениям. В начале XVIII века Джетро Талл продемонстрировал, что полезно возделывать (размешивать) почву, но его мнение о том, что размешивание делает мелкие частицы почвы доступными для поглощения растениями, было ошибочным. [263] [265]
По мере развития химии она стала применяться для исследования плодородия почвы. Французский химик Антуан Лавуазье примерно в 1778 году показал, что растения и животные должны сжигать кислород внутри себя, чтобы жить. Он смог сделать вывод, что большая часть веса 165 фунтов (75 кг) ивы Ван Гельмонта произошла из воздуха. [266] Именно французский агроном Жан-Батист Буссенго путем экспериментов получил доказательства, показывающие, что основными источниками углерода, водорода и кислорода для растений являются воздух и вода, в то время как азот берется из почвы. [267] Юстус фон Либих в своей книге «Органическая химия в ее применении к сельскому хозяйству и физиологии » (опубликованной в 1840 году) утверждал, что химические вещества в растениях должны были поступать из почвы и воздуха и что для поддержания плодородия почвы используемые минералы должны быть заменены. [268] Тем не менее Либих считал, 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 и к его применению в почве в Соединенных Штатах и Европе после 1840 года. [269]
Работа Либиха стала революцией для сельского хозяйства, и поэтому другие исследователи начали экспериментировать на ее основе. В Англии Джон Беннет Лоус и Джозеф Генри Гилберт работали на Ротамстедской экспериментальной станции , основанной первым, и (повторно) открыли, что растения берут азот из почвы, и что соли должны быть в доступном состоянии, чтобы быть усвоенными растениями. Их исследования также произвели суперфосфат , заключающийся в кислотной обработке фосфоритовой руды. [270] Это привело к изобретению и использованию солей калия (K) и азота (N) в качестве удобрений. Аммиак, образующийся при производстве кокса, был извлечен и использован в качестве удобрения. [271] Наконец, была понята химическая основа питательных веществ, поступающих в почву с навозом, и в середине 19 века были применены химические удобрения. Однако динамическое взаимодействие почвы и ее форм жизни все еще не было понято.
В 1856 году Дж. Томас Уэй обнаружил, что аммиак, содержащийся в удобрениях, 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 он нашел бактерии, ответственные за это превращение. [274]
Было известно, что некоторые бобовые могут поглощать азот из воздуха и фиксировать его в почве, но потребовалось развитие бактериологии к концу 19 века, чтобы прийти к пониманию роли, которую играют бактерии в фиксации азота. Симбиоз бактерий и бобовых корней, а также фиксация азота бактериями были одновременно открыты немецким агрономом Германом Хелльригелем и голландским микробиологом Мартинусом Бейеринком . [270]
Севооборот, механизация, химические и натуральные удобрения привели к удвоению урожайности пшеницы в Западной Европе между 1800 и 1900 годами. [275]
Ученые, которые изучали почву в связи с сельскохозяйственной практикой, рассматривали ее в основном как статический субстрат. Однако почва является результатом эволюции из более древних геологических материалов под воздействием биотических и абиотических процессов. После того, как начались исследования по улучшению почвы, другие исследователи начали изучать генезис почвы и, как следствие, также типы и классификации почв.
В 1860 году, находясь в Миссисипи, Юджин В. Хильгард (1833–1916) изучал взаимосвязь между горными породами, климатом, растительностью и типом почв, которые были разработаны. Он понял, что почвы были динамичными, и рассмотрел классификацию типов почв. [276] (См. также в Project Gutenberg). Его работа не была продолжена. Примерно в то же время Фридрих Альберт Фаллоу описывал почвенные профили и связывал характеристики почв с их образованием в рамках своей профессиональной работы по оценке лесных и сельскохозяйственных земель для княжества Саксония . Его книга 1857 года Anfangsgründe der Bodenkunde (Первые принципы почвоведения) заложила основу современной почвоведения. [277] Современник работы Фаллу и движимый той же потребностью в точной оценке земли для справедливого налогообложения, Василий Докучаев возглавил группу почвоведов в России, которые провели обширное обследование почв, заметив, что схожие основные породы, климат и типы растительности приводят к схожим слоям и типам почвы, и установили концепции для классификации почв. Из-за языковых барьеров работа этой группы не была передана в Западную Европу до 1914 года через публикацию на немецком языке Константина Глинки , члена русской группы. [278]
Кертис Ф. Марбут , под влиянием работы русской группы, перевел публикацию Глинки на английский язык [279] и, будучи назначенным ответственным за Национальное кооперативное почвенное обследование США , применил ее к национальной системе классификации почв. [263]
анализ данных педона из нескольких нарушенных профилей почв показывает, что физические нарушения и антропогенные поступления различных материалов (прямые эффекты) могут значительно изменить количество углерода, хранящегося в этих «созданных» человеком почвах.
по поливу должны знать легкодоступную влагоемкость, чтобы можно было применять воду до того, как растениям придется тратить избыточную энергию на извлечение влаги.
Только часть доступной водоудерживающей способности легко используется культурой до того, как у нее разовьется водный стресс
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия Cc BY-SA 3.0 IGO (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из Drowning in Plastics – Marine Litter and Plastic Waste Vital Graphics, Программа ООН по окружающей среде.
