Земля

Эта статья может быть слишком длинной для чтения и удобной навигации . Пожалуйста, подумайте о разделении контента на подстатьи, сжатии или добавлении подзаголовков . Пожалуйста, обсудите этот вопрос на странице обсуждения статьи . ( Январь 2020 г. )

Поищите почву в Викисловаре, бесплатном словаре.

A, B и C обозначают профиль почвы , обозначение, впервые введенное Василием Докучаевым (1846–1903), отцом почвоведения ; А - верхний слой почвы ; Б - реголит ; C - сапролит (менее выветренный реголит); самый нижний слой представляет собой коренную породу .

Поверхностно-Водо- оглееньего разработано в ледниковом до , Северной Ирландии .

Почва представляет собой смесь из органического вещества , минеральных веществ , газов , жидкостей , а также организмов , которые вместе поддержка жизни . Земли тело «сек почвы, называется педосферой , имеет четыре важных функций :

• как среда для роста растений
• как средство хранения , подачи и очистки воды
• как модификатор атмосферы Земли
• как среда обитания организмов

Все эти функции, в свою очередь, изменяют почву и ее свойства.

Почву также обычно называют землей или грязью ; в некоторых научных определениях грязь отличается от почвы , ограничивая первый термин специально перемещенной почвой.

Педосфера взаимодействует с литосферой , гидросферой , атмосферой и биосферой . ^[1] Термин pedolith , используемый обычно для обозначения почвы, переводит земли камень в смысле фундаментального камня , от древнегреческого πέδον земли , земли . Почва состоит из твердой фазы минералов и органических веществ (почвенная матрица), а также пористой фазы, содержащей газы (почвенная атмосфера) и воды (почвенный раствор). ^{[2] [3]} Соответственно, почвоведы могут рассматривать почвы как трехуровневуюгосударственная система твердых тел, жидкостей и газов. ^[4]

Почва является продуктом нескольких факторов: влияния климата , рельефа (высота, ориентация и уклон местности), организмов и материнских материалов почвы (исходных минералов), взаимодействующих во времени. ^[5] Он постоянно развивается в результате многочисленных физических, химических и биологических процессов, в том числе выветривания и связанной с ним эрозии . Учитывая ее сложность и сильную внутреннюю взаимосвязь , почвенные экологи рассматривают почву как экосистему . ^[6]

Большинство почв имеют насыпную плотность в сухом состоянии (плотность почвы с учетом пустот в сухом состоянии) от 1,1 до 1,6 г / см ³ , в то время как плотность частиц почвы намного выше, в диапазоне от 2,6 до 2,7 г / см ³ . ^[7] Немногое из почвы на планете Земля старше плейстоцена, и ни одна из них не старше кайнозоя , ^[8] хотя окаменелые почвы сохранились еще с архея . ^[9]

Почвоведение имеет два основных направления изучения: эдафологию и почвоведение . Эдафология изучает влияние почв на живые существа. ^[10] Почвоведение занимается формированием, описанием (морфологией) и классификацией почв в их естественной среде обитания. ^[11] С инженерной точки зрения, почва включена 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 . ^[12]

Процессы [ править ]

Функции почвы в качестве основного компонента Земли «s экосистемы . На мировые экосистемы оказывают далеко идущее воздействие процессы, протекающие в почве, с последствиями, варьирующимися от истощения озонового слоя и глобального потепления до разрушения тропических лесов и загрязнения воды . Что касается Земли цикла углерода , почва выступает в качестве важного углерода резервуара , ^[13] , и это потенциально одна из наиболее реагирует на нарушения человека ^[14] и изменение климата. ^[15]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, положительная обратная связь (усиление). ^[16] Это предсказание, однако, было поставлено под сомнение с учетом более свежих данных о круговороте углерода в почве. ^[17]

Почва выступает в качестве инженерной среды, среды обитания почвенных организмов , системы рециркуляции питательных веществ и органических отходов , регулятора качества воды , модификатора состава атмосферы и среды для роста растений , что делает ее критически важным поставщиком экосистемных услуг. . ^[18] Поскольку почва имеет огромный диапазон доступных ниш и сред обитания , она содержит большую часть генетического разнообразия Земли . Грамм почвы может содержать миллиарды организмов, принадлежащих к тысячам видов, в основном микробных и в значительной степени еще не изученных. ^[19][20] Почва имеет среднюю прокариотическую плотность примерно 10 ⁸ организмов на грамм, ^{[21] в} то время как в океане не более 10 ⁷ прокариотических организмов на миллилитр (грамм) морской воды. ^[22] Органический углерод, содержащийся в почве, в конечном итоге возвращается в атмосферу в процессе дыхания, осуществляемого гетеротрофными организмами, но значительная его часть остается в почве в виде почвенного органического вещества ; Обработка почвы обычно увеличивает скорость дыхания почвы , что приводит к истощению органических веществ в почве. ^[23]Поскольку корням растений нужен кислород, аэрация является важной характеристикой почвы. Эта вентиляция может осуществляться через сеть взаимосвязанных почвенных пор , которые также поглощают и удерживают дождевую воду, делая ее легко доступной для поглощения растениями. Поскольку растениям требуется почти постоянная подача воды, но в большинстве регионов выпадают спорадические дожди, влагоудерживающая способность почв имеет жизненно важное значение для выживания растений. ^[24]

Почвы могут эффективно удалять примеси ^[25], убивать возбудителей болезней ^[26] и разлагать загрязнители , последнее свойство называется естественным ослаблением . ^[27] Обычно почвы поддерживают чистое поглощение кислорода и метана и подвергаются чистому высвобождению углекислого газа и закиси азота . ^[28] Почвы обеспечивают растениям физическую поддержку, воздух, воду, температурный режим, питательные вещества и защиту от токсинов. ^[29] Почвы обеспечивают растения и животных легкодоступными питательными веществами, превращая мертвое органическое вещество в различные формы питательных веществ. ^[30]

Состав [ править ]

Типичная почва состоит примерно из 50% твердых веществ (45% минералов и 5% органических веществ) и 50% пустот (или пор), половина из которых занята водой, а половина - газом. ^[31] Процент содержания минеральных веществ и органических веществ в почве можно рассматривать как постоянный (в краткосрочной перспективе), в то время как процентное содержание воды и газа в почве считается очень изменчивым, при этом повышение одного содержания одновременно уравновешивается снижением другого. ^[32] Пористое пространство обеспечивает проникновение и движение воздуха и воды, которые имеют решающее значение для жизни, существующей в почве. ^[33] Уплотнение , обычная проблема почв, уменьшает это пространство, не позволяя воздуху и воде достигать корней растений и почвенных организмов. ^[34]

При наличии достаточного времени недифференцированная почва образует 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 обычно 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 у поверхности, в то время как геохимическое влияние на свойства почвы усиливается с глубиной. Профили зрелой почвы обычно включают три основных основных горизонта: A, B и C. Солум обычно включает горизонты A и B. Живой компонент почвы в основном ограничен солумом и обычно более заметен в горизонте A. ^[35] Было высказано предположение, что педон , столб почвы, простирающийся вертикально от поверхности до нижележащего материнского материала и достаточно большой, чтобы показать характеристики всех его горизонтов, можно подразделить на гумипедон.(живая часть, где обитает большинство почвенных организмов, соответствующая гумусовой форме ), копедон (в промежуточном положении, где происходит большая часть выветривания минералов) и литопедон (в контакте с грунтом). ^[36]

Текстура почвы определяется относительных пропорций отдельных частиц песка , ила и глины , которые составляют почву. Взаимодействие отдельных минеральных частиц с органическим веществом, водой, газами посредством биотических и абиотических процессов вызывает флокуляцию ( слипание) этих частиц с образованием агрегатов или слоев . ^[37] Если эти агрегаты могут быть идентифицированы, можно сказать, что почва образовалась, и ее можно описать далее с точки зрения цвета, пористости, консистенции, реакции ( кислотности ) и т. Д.

Вода является критическим фактором развития почвы из-за ее участия в растворении, выпадении осадков, эрозии, переносе и осаждении материалов, из которых состоит почва. ^[38] Смесь воды и растворенных или взвешенных веществ, которые занимают поровое пространство почвы , называется почвенным раствором. Поскольку почвенная вода никогда не бывает чистой водой, а содержит сотни растворенных органических и минеральных веществ, ее можно более точно назвать почвенным раствором. Вода играет ключевую роль в растворении , осаждении и вымывании минералов из профиля почвы.. 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 полосатых структур растительности в полузасушливых регионах. ^[39]

Почвы снабжают растения питательными веществами , большая часть которых удерживается частицами глины и органических веществ ( коллоидов ) ^[40] . Питательные вещества могут адсорбироваться на поверхности глинистых минералов, связываться с глинистыми минералами ( абсорбироваться ) или связываться с органическими соединениями в виде часть живых организмов или мертвого органического вещества почвы . Эти связанные питательные вещества взаимодействуют с почвенной водой для буферизации состава почвенного раствора (смягчения изменений в почвенном растворе) по мере увлажнения или высыхания почвы, по мере того, как растения поглощают питательные вещества, по мере выщелачивания солей или добавления кислот или щелочей. ^{[41] [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 почвообразования и обычно ниже (более кислый) там, где выветривание более развито. ^[43]

Большинство питательных веществ для растений, за исключением азота , происходит из минералов , составляющих основной почвенный материал . Некоторые из азота берет свое начало как дождь разбавленной азотной кислоты и аммиак , ^[44] , но большая часть азота доступен в почвах в результате фиксации азота с помощью бактерий . Попадая в систему почва-растение, большинство питательных веществ рециркулируется через живые организмы, растительные и микробные остатки ( органическое вещество почвы ), связанные с минералами формы и почвенный раствор. Как живые почвенные организмы (микробы, животные и корни растений), так и органическое вещество почвыимеют решающее значение для этой переработки и, следовательно, для почвообразования и плодородия почв . ^[45] Микробные ферменты почвы могут выделять питательные вещества из минералов или органических веществ для использования растениями и другими микроорганизмами, связывать (включать) их в живые клетки или вызывать их потерю из почвы в результате испарения (потеря в атмосферу в виде газов) или выщелачивания. . ^[46]

Формирование [ править ]

Почвообразование или почвообразование - это совокупное воздействие физических, химических, биологических и антропогенных процессов, воздействующих на материнский материал почвы . 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 смеси песка, ила, глины и перегноя будут поддерживать биологическую и сельскохозяйственную деятельность до этого времени. ^[47]Эти составляющие перемещаются с одного уровня на другой в результате деятельности воды и животных. В результате в почвенном профиле формируются слои (горизонты). Изменение и движение материалов в почве вызывает формирование отличительных почвенных горизонтов . Однако более поздние определения почвы включают почвы без какого-либо органического вещества, такие как те реголиты, которые сформировались на Марсе ^[48], и аналогичные условия в пустынях планеты Земля. ^[49]

Пример развития почвы может начаться с выветривания коренной породы лавового потока, в результате чего образуется исходный материал на чисто минеральной основе, из которого формируется структура почвы. Развитие почвы будет происходить наиболее быстро из голых пород недавних потоков в теплом климате, в условиях сильных и частых дождей. 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 органического материала очень мало. ^[50] Растения поддерживаются пористой скалой, поскольку она наполнена питательными веществами.- вода, содержащая минералы, растворенные в камнях. Трещины и карманы, местный рельеф скал, могли содержать мелкие материалы и корни растений. Развивающиеся корни растений связаны с микоризными грибами, выветривающими минералы ^[51], которые способствуют разрушению пористой лавы, и, таким образом, органическое вещество и более мелкая минеральная почва со временем накапливаются. Такие начальные стадии развития почв описаны на вулканах ^[52], инзельбергах ^[53] и ледниковых моренах. ^[54]

На то, как происходит почвообразование, влияют, по крайней мере, пять классических факторов, которые взаимосвязаны в эволюции почвы. Это: исходный материал, климат, топография (рельеф), организмы и время. ^[55] Если изменить порядок на климат, рельеф, организмы, исходный материал и время, они образуют аббревиатуру CROPT. ^[56]

Физические свойства [ править ]

К физическим свойствам почв в порядке убывания их важности для экосистемных услуг, таких как растениеводство , относятся текстура , структура , объемная плотность , пористость , консистенция, температура, цвет и удельное сопротивление . ^[57] Текстура почвы определяется относительной долей трех видов минеральных частиц почвы, называемых частичками почвы: песком , илом и глиной . В следующем более крупном масштабе почвенные структуры, называемые гусеницами или, чаще всего, почвенные агрегаты , создаются из почвы, отделяемой, когдаоксиды железа , карбонаты , глина, кремнезем и гумус покрывают частицы и заставляют их слипаться в более крупные, относительно стабильные вторичные структуры. ^[58] Объемная плотность почвы , определяемая при стандартных условиях влажности, является оценкой уплотнения почвы . ^[59] Пористость почвысостоит из пустой части объема почвы и занята газами или водой. Консистенция почвы - это способность почвенных материалов склеиваться. Температура и цвет почвы самоопределяются. Удельное сопротивление относится к сопротивлению прохождению электрического тока и влияет на скорость коррозии металлических и бетонных конструкций, закопанных в почву. ^[60] Эти свойства меняются в зависимости от глубины профиля почвы, то есть горизонтов почвы . Большинство этих свойств определяют аэрацию почвы и способность воды проникать в нее и удерживаться в ней. ^[61]

Влажность почвы [ править ]

Было предложено разделить этот раздел на другую статью, озаглавленную « Влажность почвы» . ( Обсудить ) (июль 2020)

Влажность почвы относится к содержанию воды в почве. Он может быть выражен в единицах объема или веса. Измерение влажности почвы может быть основано на наземных датчиках или методах дистанционного зондирования .

Вода, которая попадает в поле, удаляется с поля путем стока , дренажа , испарения или транспирации . ^[62] Сток - это вода, которая течет по поверхности к краю поля; дренаж - вода, которая течет через почву вниз или к краю поля под землей; потеря воды за счет испарения с поля - это та часть воды, которая испаряется в атмосферу непосредственно с поверхности поля; транспирация - это потеря воды с поля за счет ее испарения с самого растения.

Вода влияет на формирование , структуру , стабильность и эрозию почвы, но имеет первостепенное значение для роста растений. ^[63] Вода необходима растениям по четырем причинам:

1. Он составляет 80-95% протоплазмы растения .
2. Это необходимо для фотосинтеза .
3. Это растворитель, в котором питательные вещества переносятся к растению, внутрь и по всему растению.
4. Он обеспечивает припухлость, благодаря которой растение удерживается в правильном положении. ^[64]

Кроме того, вода изменяет профиль почвы за счет растворения и повторного осаждения минералов, часто на более низких уровнях. ^[65] В суглинистой почве твердые частицы составляют половину объема, газ - четверть объема, а вода - четверть объема ^[31], из которых только половина будет доступна большинству растений, с сильными вариациями в зависимости от матричный потенциал . ^[66]

Затопленное поле будет истощать гравитационную воду под действием силы тяжести до тех пор, пока адгезионные и когезионные силы воды не будут сопротивляться дальнейшему дренажу, и в этот момент считается, что поле достигнет емкости . ^[67] В этот момент растения должны применить всасывание ^{[67] [68],} чтобы забрать воду из почвы. Вода, которую растения могут черпать из почвы, называется доступной водой . ^{[67] [69]} После того, как доступная вода израсходована, оставшаяся влага называется недоступной водой, так как растение не может производить всасывание, достаточное для всасывания этой воды. При всасывании 15 бар, точке увядания семена не прорастут, ^{[70] [ 67][71]} растения начинают увядать, а затем погибают. Вода движется в почве под действием силы тяжести , осмоса и капиллярности . ^[72] Когда вода попадает в почву, она вытесняет воздух из взаимосвязанных макропор за счет плавучести и разрушает агрегаты, в которые попадает воздух. Этот процесс называется гашением . ^[73]

Скорость, с которой почва может впитывать воду, зависит от почвы и других ее условий. По мере роста корни сначала удаляют воду из самых крупных пор ( макропор ). Вскоре более крупные поры содержат только воздух, а оставшаяся вода находится только в порах среднего и наименьшего размера ( микропоры ). Вода в мельчайших порах настолько сильно удерживается на поверхности частиц, что корни растений не могут ее оторвать. Следовательно, не вся почвенная вода доступна растениям, что сильно зависит от текстуры . ^[74] При насыщении почва может терять питательные вещества по мере того, как стекает вода. ^[75]Вода движется по осушаемому полю под действием давления, когда почва локально насыщена, и за счет капиллярности тянется к более сухим частям почвы. ^[76] Большинство потребностей растений в воде обеспечивается за счет всасывания, вызванного испарением с листьев растений ( транспирация ), а меньшая часть - за счет всасывания, создаваемого разницей осмотического давления между внутренней частью растения и почвенным раствором. ^{[77] [78]} Корни растений должны искать воду и расти преимущественно во влажных микросайтах почвы, ^[79] но некоторые части корневой системы также способны переувлажнять сухие части почвы. ^[80] Недостаток воды повредит урожай сельскохозяйственных культур. ^[81]Большая часть доступной воды используется для транспирации, чтобы втягивать питательные вещества в растения. ^[82]

Почвенная вода также важна для моделирования климата и численного прогноза погоды. Глобальная система наблюдения за климатом определила почвенные воды как одну из 50 основных климатических переменных (ECV). ^[83] Уровень воды в почве можно измерить на месте с помощью датчика влажности почвы или оценить по спутниковым данным и гидрологическим моделям. У каждого метода есть свои плюсы и минусы, и, следовательно, интеграция различных методов может уменьшить недостатки одного данного метода. ^[84]

Удержание воды [ править ]

Вода удерживается в почве, когда адгезионная сила притяжения, которую атомы водорода воды имеют для кислорода частиц почвы, сильнее, чем силы сцепления, которые водород воды ощущает по отношению к другим атомам кислорода воды. ^[85] Когда поле затопляется, поровое пространство почвы полностью заполняется водой. Поле истощается под действием силы тяжести, пока не достигнет того, что называется емкостью поля , когда самые маленькие поры заполняются водой, а самые большие - водой и газами. ^[86] Общее количество воды, удерживаемой при достижении полевой емкости, является функцией удельной площади поверхности частиц почвы.^[87] В результате, глинистые почвы и почвы с высоким содержанием органических веществ имеют более высокую полевую продуктивность. ^[88] Потенциальная энергия воды на единицу объема относительно чистой воды в стандартных условиях называется водным потенциалом . Общий водный потенциал - это сумма матричного потенциала, который является результатом капиллярного действия , осмотического потенциала засоленной почвы и гравитационного потенциала при вертикальном направлении движения воды. Водный потенциал в почве обычно имеет отрицательные значения, поэтому он также выражается во всасывании., который определяется как минус водного потенциала. Всасывание имеет положительное значение и может рассматриваться как общая сила, необходимая для вытягивания или выталкивания воды из почвы. Потенциал Вода или всасывания выражается в единицах кПа (10 ³ паскаль ), бар (100 кПа), или см Н 2 О (приблизительно 0,098 кПа). Общий логарифм всасывание в см H ₂ O называется пФ. ^[89] Следовательно, pF 3 = 1000 см = 98 кПа = 0,98 бар.

Силы, с которыми вода удерживается в почве, определяют ее доступность для растений. Силы адгезии сильно удерживают воду на минеральных и гумусовых поверхностях и в меньшей степени удерживают ее на себе силами сцепления. Корень растения может проникать в очень небольшой объем воды, которая прилипает к почве, и первоначально может втягивать воду, которая лишь слегка удерживается силами сцепления. Но по мере того, как капля опускается вниз, силы адгезии воды к частицам почвы приводят к все более сильному всасыванию , наконец, до 1500 кПа (pF = 4,2). ^[90] При всасывании 1500 кПа количество воды в почве называется точкой увядания.. При таком всасывании растение не может удовлетворить свои потребности в воде, так как вода все еще теряется из растения из-за транспирации, растение теряет отечность и оно увядает, хотя закрытие устьиц может уменьшить транспирацию и, таким образом, может замедлить увядание ниже точки увядания , в частности при адаптации или акклиматизации к засухе. ^[91] Следующий уровень, называемый воздушной сушкой, происходит при всасывании 100 000 кПа (pF = 6). Наконец, состояние сухой печи достигается при всасывании 1 000 000 кПа (pF = 7). Вся вода ниже точки увядания называется недоступной. ^[92]

Когда влажность почвы оптимальна для роста растений, вода в порах большого и среднего размера может перемещаться в почве и легко использоваться растениями. ^[74] Количество воды, остающейся в почве, осушенной до максимальной емкости поля, и доступное количество зависят от типа почвы. Песчаная почва будет удерживать очень мало воды, в то время как глина будет удерживать максимальное количество. ^[88] Доступная вода для илистого суглинка может составлять 20%, тогда как для песка оно может составлять только 6% по объему, как показано в этой таблице.

Выше приведены средние значения текстуры почвы.

Водный поток [ править ]

Вода движется через почву под действием силы тяжести , осмоса и капиллярности . При всасывании от нуля до 33 кПа ( полевой емкости ) вода проталкивается через почву из точки ее нанесения под действием силы тяжести и градиента давления, создаваемого давлением воды; это называется насыщенным потоком. При более высоком всасывании движение воды осуществляется за счет капиллярности от более влажной почвы к более сухой. Это вызвано адгезией воды к твердым телам почвы и называется ненасыщенным потоком. ^{[94] [95]}

Проникновение и движение воды в почве контролируется шестью факторами:

1. Текстура почвы
2. Структура почвы. Мелкозернистые почвы с зернистой структурой наиболее благоприятны для проникновения воды.
3. Количество органики. Лучше всего использовать грубые частицы, если они находятся на поверхности, что помогает предотвратить разрушение структуры почвы и образование корок.
4. Глубина почвы до непроницаемых слоев, таких как откиды или коренные породы
5. Количество воды, уже находящейся в почве
6. Температура почвы. Теплые почвы впитывают воду быстрее, в то время как мерзлые почвы могут не впитывать воду в зависимости от типа замерзания. ^[96]

Скорость инфильтрации воды колеблется от 0,25 см в час для высокоглинистых почв до 2,5 см в час для песка и хорошо стабилизированных и агрегированных почвенных структур. ^[97] Вода течет через землю неравномерно в виде так называемых «гравитационных пальцев» из-за поверхностного натяжения между частицами воды. ^{[98] [99]}

Корни деревьев, живые или мертвые, создают предпочтительные каналы для потока дождевой воды через почву ^[100], увеличивая скорость проникновения воды до 27 раз. ^[101]

Наводнение временно увеличивает проницаемость почвы в руслах рек , что способствует подпитке водоносных горизонтов . ^[102]

Вода, наносимая на почву, выталкивается градиентами давления от точки ее нанесения, где она локально насыщена , к менее насыщенным областям, таким как зона вадозы . ^{[103] [104]} Как только почва полностью увлажнится, вода будет двигаться вниз или просачиваться из области корней растений , унося с собой глину, гумус, питательные вещества, в первую очередь катионы, и различные загрязнители , включая пестициды , загрязнители , вирусы и бактерии , потенциально вызывающие загрязнение подземных вод . ^{[105] [106]} В порядке уменьшения растворимости выщелачиваемые питательные вещества:

• Кальций
• Магний, сера, калий; в зависимости от состава почвы
• Азот; обычно мало, если только недавно не вносились нитратные удобрения
• Фосфор; очень мало, так как его формы в почве малорастворимы. ^[107]

В Соединенных Штатах просачивание воды из-за дождя колеблется от почти нуля сантиметров к востоку от Скалистых гор до пятидесяти или более сантиметров в день в Аппалачских горах и на северном побережье Мексиканского залива. ^[108]

Вода вытягивается за счет капиллярного действия из-за силы адгезии воды к твердым частицам почвы, создавая градиент всасывания от влажной почвы к более сухой ^[109] и от макропор к микропорам . ^{[ необходима цитата ]} Так называемое уравнение Ричардса позволяет рассчитать скорость изменения содержания влаги в почвах из-за движения воды в ненасыщенных почвах. ^[110] Интересно, что это уравнение отнести к Richards первоначально было опубликовано в 1922 году Ричардсон ^[111] влажность почвы Velocity уравнения, ^[112], которая может быть решена с использованием метода потока вадозной зоны с конечным содержанием воды , ^{[113] [114]} описывает скорость протекания воды через ненасыщенный грунт в вертикальном направлении. Численное решение уравнения Ричардсона / Ричардса позволяет рассчитывать поток ненасыщенной воды и перенос растворенных веществ с использованием программного обеспечения, такого как Hydrus , ^[115] , задавая гидравлические параметры почвы гидравлических функций ( функция удержания воды и функция ненасыщенной гидравлической проводимости), а также начальные и граничные условия. . Предпочтительный поток происходит по взаимосвязанным макропорам, щелям, корневым и червячным каналам, которые отводят воду подгравитация . ^{[116] [117]} Многие модели, основанные на физике почвы, теперь позволяют в некоторой степени представить предпочтительный поток в виде двойного континуума, двойной пористости или двойной проницаемости, но они, как правило, были «привязаны» к решению Ричардса без какого-либо строгого физического обоснования. . ^[118]

Поглощение воды растениями [ править ]

Не менее важны для хранения и движения воды в почве способы, с помощью которых растения получают ее и питательные вещества. Большая часть почвенной воды поглощается растениями в качестве пассивного поглощения, вызванного вытягивающей силой воды, испаряющейся ( просачивающейся ) из длинного столба воды ( поток ксилемного сока ), который ведет от корней растения к его листьям, согласно теории сцепления-натяжения. . ^[119] Подъем воды и растворенных веществ ( гидравлический подъем ) регулируется в корнях энтодермой ^[120], а в листве растений - устьичной проводимостью , ^[121] и может прерываться в корнях и побегах.ксилемные сосуды из- за кавитации , также называемой ксилемной эмболией . ^[122] Кроме того, высокая концентрация солей в корнях растений создает градиент осмотического давления, который выталкивает воду из почвы в корни. ^[123] Осмотическое поглощение становится более важным в периоды низкой транспирации воды, вызванной более низкими температурами (например, ночью) или высокой влажностью, и обратное происходит при высокой температуре или низкой влажности. Именно эти процессы вызывают соответственно потрошение и увядание . ^{[124] [125]}

Расширение корней жизненно важно для выживания растений. Исследование одного растения озимой ржи, выращиваемого в течение четырех месяцев на одном кубическом футе (0,0283 кубометра) суглинистой почвы, показало, что растение развило 13 800 000 корней, в общей сложности 620 км в длину и 237 квадратных метров площади; и 14 миллиардов корней волос общей длиной 10 620 км и общей площадью 400 квадратных метров; на общую площадь 638 квадратных метров. Общая площадь суглинистой почвы оценивалась в 52 000 квадратных метров. ^[126]Другими словами, корни контактировали только с 1,2% почвы. Однако расширение корней следует рассматривать как динамический процесс, позволяющий новым корням исследовать новый объем почвы каждый день, резко увеличивая общий объем почвы, исследуемой за данный период роста, и, таким образом, объем воды, потребляемой корнем. система за этот период. ^[127] Архитектура корня, то есть пространственная конфигурация корневой системы, играет важную роль в адаптации растений к почвенной воде и доступности питательных веществ и, таким образом, в продуктивности растений. ^[128]

Корни должны искать воду, поскольку ненасыщенный поток воды в почве может двигаться только со скоростью до 2,5 см в день; в результате они постоянно умирают и растут, поскольку ищут высокие концентрации влаги в почве. ^[129] Недостаточная влажность почвы, приводящая к увяданию , приведет к необратимому ущербу и снижению урожайности . Когда зерно сорго подвергалось всасыванию почвы при низком уровне 1300 кПа во время прорастания семенной головки на этапах цветения и завязывания семян, его урожайность снизилась на 34%. ^[130]

Безвозвратное использование и эффективность водопользования [ править ]

Лишь небольшая часть (от 0,1% до 1%) воды, используемой растением, удерживается внутри растения. Большая часть в конечном итоге теряется из-за транспирации , в то время как испарение с поверхности почвы также является значительным, причем соотношение транспирация: испарение варьируется в зависимости от типа растительности и климата, достигая пика в тропических лесах и погружаясь в степи и пустыни . ^[131] Транспирация плюс испарительная потеря влаги в почве называется эвапотранспирацией . Эвапотранспирация плюс вода, содержащаяся в растении, составляет суммарное потребление, что почти идентично эвапотранспирации. ^{[130] [132]}

Общий объем воды, используемой на сельскохозяйственных угодьях, включает поверхностный сток , дренаж и безвозвратное использование. Использование рыхлой мульчи снизит потери от испарения в течение периода после орошения поля, но в конечном итоге общие потери от испарения (растение плюс почва) будут приближаться к потерям от непокрытой почвы, в то время как больше воды сразу становится доступным для роста растений. ^[133] Эффективность водопользования измеряется степенью транспирации., который представляет собой отношение общего количества воды, выделяемой растением, к сухой массе собранного растения. Коэффициенты транспирации для сельскохозяйственных культур варьируются от 300 до 700. Например, коэффициент транспирации люцерны может составлять 500, и в результате из 500 килограммов воды будет получен один килограмм сухой люцерны. ^[134]

Почвенный газ [ править ]

Атмосфера почвы или почвенный газ сильно отличается от атмосферы выше. Потребление кислорода микробами и корнями растений и выделение ими углекислого газа снижает содержание кислорода и увеличивает концентрацию углекислого газа. Концентрация CO _{2 в} атмосфере составляет 0,04%, но в поровом пространстве почвы она может составлять от 10 до 100 раз больше, таким образом потенциально способствуя подавлению дыхания корней. ^[135] Известковые почвы регулируют концентрацию CO _{2 за} счет карбонатной буферизации , в отличие от кислых почв, в которых весь вдыхаемый CO ₂ накапливается в системе почвенных пор. ^[136]При экстремальных уровнях CO ₂ токсичен. ^[137] Это свидетельствует о возможном отрицательном контроле по обратной связи концентрации CO ₂ в почве за счет его ингибирующего воздействия на корневое и микробное дыхание (также называемое « почвенное дыхание »). ^[138] Кроме того, пустоты почвы насыщены водяным паром, по крайней мере, до точки максимальной гигроскопичности , после которой возникает дефицит давления пара в поровом пространстве почвы. ^[33] Достаточная пористость необходима не только для проникновения воды, но и для диффузии газов внутрь и наружу. Движение газов происходит путем диффузии от высоких концентраций к более низким,коэффициент диффузии уменьшается с уплотнением почвы . ^[139] Кислород из над атмосферой диффундирует в почву, где он потребляется, а уровни углекислого газа, превышающие над атмосферой, диффундируют с другими газами (включая парниковые газы ), а также с водой. ^[140] Текстура и структура почвы сильно влияют на пористость почвы и диффузию газа. Это общее поровое пространство ( пористость ) почвы, а не размер пор и степень их взаимосвязи (или, наоборот, герметизация пор), вместе с содержанием воды, турбулентностью воздуха и температурой, которые определяют скорость диффузии газов в и из почвы. ^{[141] [140]} Плитчатая структура почвы и уплотнение почвы (низкая пористость) поток мешает газа, а также недостаток кислорода может способствовать анаэробным бактерий для уменьшения (полосы кислорода) из нитрата NO ₃ к газам N ₂ , N ₂ O и NO, которые затем потеряли в атмосферу, тем самым истощая почву азотом. ^[142] Аэрированная почва также является чистым поглотителем метана CH ₄ ^[143], но чистым источником метана (сильного теплопоглощающего парникового газа), когда почвы обеднены кислородом и подвержены повышенным температурам. ^[144]

Почвенная атмосфера также является местом выбросов летучих веществ, отличных от оксидов углерода и азота, от различных почвенных организмов, например, корней, ^[145] бактерий, ^[146] грибов, ^[147] животных. ^[148] Эти летучие вещества используются в качестве химических сигналов, делая почвенную атмосферу местом сетей взаимодействия ^{[149] [150],} играющих решающую роль в стабильности, динамике и эволюции почвенных экосистем. ^[151] Биогенные летучие органические соединения почвы обмениваются с надземной атмосферой, в которой они всего на 1-2 порядка меньше, чем от надземной растительности. ^[152]

Мы, люди, можем получить некоторое представление о почвенной атмосфере по хорошо известному запаху «после дождя», когда просачивающаяся дождевая вода вымывает всю почвенную атмосферу после периода засухи или когда почва выкапывается, ^[153] это основная собственность объясняется в редукционистского образом конкретных биохимических соединений , таких как Petrichor или геосмин .

Твердая фаза (матрица почвы) [ править ]

Частицы почвы можно классифицировать по химическому составу ( минералогии ), а также по размеру. Распределение размеров частиц почвы, ее текстуры , определяет многие свойства этой почвы, в частности гидравлической проводимости и водный потенциале , ^[154] , но минералогия этих частиц может сильно изменить эти свойства. Особенно важна минералогия мельчайших частиц почвы - глины. ^[155]

Химия [ править ]

Предлагалось разделить этот раздел на другую статью под названием « Химия почвы» . ( Обсудить ) (июль 2020)

Химический состав почвы определяет ее способность поставлять доступные питательные вещества для растений и влияет на ее физические свойства и здоровье живого населения. Кроме того, химический состав почвы также определяет ее коррозионную активность , стабильность и способность поглощать загрязнители и фильтровать воду. Химические свойства почвы определяет химический состав поверхности минеральных и органических коллоидов . ^[156] Коллоид представляет собой небольшую нерастворимую частицу размером от 1 нанометра до 1 микрометра , таким образом, достаточно маленькую, чтобы оставаться во взвешенном состоянии в результате броуновского движения в жидкой среде без осаждения. ^[157]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 (ЦИК) представляет собой количество обмениваемых катионов на единицу массы сухой почвы и выражается в терминах миллиэквивалентов из положительно заряженныхионов на 100 грамм почвы (или сантимолей положительного заряда на килограмм почвы; смоль _c / кг). Точно так же положительно заряженные участки на коллоидах могут притягивать и высвобождать анионы в почве, придавая почве анионообменную способность (AEC).

Катионный и анионный обмен [ править ]

Катионный обмен, который происходит между коллоидами и почвенной водой, буферизует (снижает) pH почвы , изменяет структуру почвы и очищает просачивающуюся воду путем адсорбции катионов всех типов, как полезных, так и вредных.

Отрицательные или положительные заряды коллоидных частиц позволяют им удерживать катионы или анионы соответственно на своей поверхности. Обвинения исходят из четырех источников. ^[158]

1. Изоморфное замещение происходит в глине во время ее образования, когда катионы с более низкой валентностью замещают катионы с более высокой валентностью в кристаллической структуре. ^[159] Замены в самых внешних слоях более эффективны, чем в самых внутренних, поскольку сила электрического заряда падает пропорционально квадрату расстояния. Конечный результат - атомы кислорода с отрицательным зарядом и способностью притягивать катионы.
2. Атомы кислорода на краю глины не находятся в ионном балансе, поскольку тетраэдрическая и октаэдрическая структуры являются неполными. ^[160]
3. Гидроксилы могут замещать атомы кислорода в слоях диоксида кремния, этот процесс называется гидроксилированием . Когда водород гидроксилов глины ионизируется в раствор, они оставляют кислород с отрицательным зарядом (анионные глины). ^[161]
4. Водороды гидроксильных групп гумуса также могут ионизироваться в раствор, оставляя, как и в случае с глиной, кислород с отрицательным зарядом. ^[162]

Катионы, удерживаемые в отрицательно заряженных коллоидах, сопротивляются смыву вниз водой и вне досягаемости корней растений, тем самым сохраняя плодородие почв в районах с умеренными дождями и низкими температурами. ^{[163] [164]}

В процессе катионного обмена на коллоидах существует иерархия, поскольку они различаются по силе адсорбции коллоидом и, следовательно, их способности заменять друг друга ( ионный обмен ). Если в почвенном водном растворе присутствуют в равных количествах:

Al ³⁺ заменяет H ⁺ заменяет Ca ²⁺ заменяет Mg ²⁺ заменяет K ^{+ так} же, как NH ⁴⁺ заменяет Na ^{+ [165]}

Если один катион добавлен в больших количествах, он может заменить другие исключительно благодаря своей численности. Это называется законом массового действия . Во многом это происходит при добавлении катионных удобрений ( калий , известь ). ^[166]

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, так как ионы водорода занимают места обмена ( протонирование ). Низкий pH может вызвать повышение концентрации водорода в гидроксильных группах. втягиваться 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 pH-зависимые поверхностные заряды. ^[167] В отличие от постоянных зарядов, создаваемых изоморфными формами. замещения, pH-зависимые заряды изменчивы и увеличиваются с увеличением pH. ^[42]Освобожденные катионы могут быть доступны растениям, но они также склонны к вымыванию из почвы, что, возможно, делает почву менее плодородной. ^[168] Растения способны выделять H ⁺ в почву за счет синтеза органических кислот и, таким образом, изменять pH почвы около корня и выталкивать катионы из коллоидов, делая их доступными для растений. ^[169]

Катионообменная емкость (CEC) [ править ]

Емкость катионного обмена следует понимать как способность почвы удалять катионы из водного раствора почвы и связывать те, которые будут заменены позже, когда корни растений выделяют ионы водорода в раствор. CEC - это количество обменного катиона водорода (H ⁺ ), которое будет соединяться со 100 граммами сухой массы почвы, и его мера 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 один миллиэквивалент иона водорода. Кальций с атомным весом, в 40 раз превышающим атомный вес водорода, и валентностью, равной двум, преобразуется в (40/2) x 1 миллиэквивалент = 20 миллиэквивалентов ионов водорода на 100 граммов сухой почвы или 20 мэкв / 100 г. ^[170] Современная мера ЕКО выражается в сантимолях положительного заряда на килограмм (смоль / кг) высушенной в печи почвы.

Большая часть ЕКО почвы происходит на глинистых и гумусовых коллоидах, а их отсутствие в жарком, влажном, влажном климате из-за выщелачивания и разложения, соответственно, объясняет очевидную стерильность тропических почв. ^[171] Живые корни растений также имеют некоторую ЦИК, связанную с их удельной площадью поверхности . ^[172]

Емкость анионного обмена (AEC) [ править ]

Анионообменную способность следует понимать как способность почвы удалять анионы (например, нитраты , фосфаты ) из водного раствора почвы и связывать их для последующего обмена, поскольку корни растений выделяют карбонатные анионы в водный раствор почвы. Коллоиды с низким CEC, как правило, имеют некоторое количество AEC. Аморфные и полуторные глины имеют самые высокие значения КЭП ^[174], за ними следуют оксиды железа. Уровни AEC намного ниже, чем для CEC, из-за обычно более высокой доли положительно (по сравнению с отрицательно) заряженными поверхностями на почвенных коллоидах, за исключением почв с переменным зарядом. ^[175] Фосфаты, как правило, удерживаются на сайтах анионного обмена. ^[176]

Глины гидроксида железа и алюминия способны обменивать свои гидроксид-анионы (ОН ^- ) на другие анионы. ^[177] Порядок, отражающий силу анионной адгезии, следующий:

H ₂ PO ₄ ^- заменяет SO ₄ ^{2 -} заменяет NO ₃ ^- заменяет Cl ^-

Количество обменных анионов составляет от десятых до нескольких миллиэквивалентов на 100 г сухой почвы. ^[173] При повышении pH появляется относительно больше гидроксилов, которые вытесняют анионы из коллоидов и заставляют их растворяться и выводиться из хранилища; следовательно, AEC уменьшается с увеличением pH (щелочности). ^[178]

Реакционная способность (pH) [ править ]

Реактивность почвы выражается в показателях pH и является мерой кислотности или щелочности почвы. Точнее, это мера концентрации водородных ионов в водном растворе и колеблется от 0 до 14 (от кислой до щелочной), но практически говоря для почв, pH колеблется от 3,5 до 9,5, поскольку значения pH за пределами этих крайних значений токсичны для формы жизни. ^[179]

При 25 ° C водный раствор с pH 3,5 имеет 10 ^-3,5 моль H ⁺ (ионы водорода) на литр раствора (а также 10 ^-10,5 моль / л OH ^- ). PH 7, определяемый как нейтральный, имеет ^10-7 моль ионов водорода на литр раствора, а также ^10-7 моль OH ^- на литр; поскольку две концентрации равны, говорят, что они нейтрализуют друг друга. При pH 9,5 содержится 10 ^-9,5 моль ионов водорода на литр раствора (а также ^10-2,5 моль на литр ОН ^- ). При pH 3,5 содержится в миллион раз больше ионов водорода на литр, чем в растворе с pH 9,5 (9,5–3,5 = 6 или 10 ⁶) и более кислый. ^[180]

Воздействие pH на почву заключается в том, чтобы удалить из почвы или сделать доступными определенные ионы. Почвы с высокой кислотностью, как правило, содержат токсичные количества алюминия и марганца. ^[181] В результате компромисса между токсичностью и потребностью большинство питательных веществ лучше доступны для растений при умеренном pH ^[182], хотя большинство минералов более растворимы в кислых почвах. Почвенным организмам препятствует высокая кислотность, и большинство сельскохозяйственных культур лучше всего подходят для минеральных почв с pH 6,5 и органических почв с pH 5,5. ^[183] Учитывая, что при низком pH токсичные металлы (например, кадмий, цинк, свинец) имеют положительный заряд, поскольку катионы и органические загрязнители находятся в неионогенной форме, таким образом, оба становятся более доступными для организмов, ^{[184] [185]}Было высказано предположение, что растения, животные и микробы, обычно живущие в кислых почвах, заранее приспособлены к любым видам загрязнения, будь то естественного или антропогенного происхождения. ^[186]

В районах с большим количеством осадков почвы имеют тенденцию к подкислению, поскольку основные катионы вытесняются из почвенных коллоидов массовым действием ионов водорода из дождя на те, которые прикреплены к коллоидам. Значительное количество осадков может вымыть питательные вещества, оставив в почве только те организмы, которые особенно эффективны для поглощения питательных веществ в очень кислых условиях, например, в тропических лесах . ^[187] Как только коллоиды насыщаются H ⁺ , добавление каких-либо дополнительных ионов водорода или гидроксильных катионов алюминия приводит к еще большему снижению pH (более кислому), поскольку почва остается без буферной емкости. ^[188]В районах с сильными дождями и высокими температурами глина и перегной могут вымываться, что еще больше снижает буферную способность почвы. ^[189] В районах с малым количеством осадков невыщелоченный кальций повышает pH до 8,5, а с добавлением обменного натрия pH почвы может достигать 10. ^{[190] При} pH выше 9 рост растений замедляется. ^[191] Высокий pH приводит к низкой подвижности питательных микроэлементов , но водорастворимые хелаты этих питательных веществ могут исправить дефицит. ^[192] Натрий можно уменьшить добавлением гипса.(сульфат кальция), поскольку кальций прилипает к глине более плотно, чем натрий, заставляя натрий попадать в водный раствор почвы, откуда он может быть вымыт большим количеством воды. ^{[193] [194]}

Базовый процент насыщенности [ править ]

Есть катионы, образующие кислоту (например, водород, алюминий, железо), и катионы, образующие основания (например, кальций, магний, натрий). Доля отрицательно заряженных участков почвенного коллоидного обмена ( CEC ), занятая образующими основания катионами, называется насыщением основания . Если ЕКО почвы составляет 20 мэкв. И 5 мэкв. Представляют собой катионы алюминия и водорода (образующие кислоту), то оставшиеся позиции на коллоидах (20-5 = 15 мэкв.) Считаются занятыми катионами, образующими основание, так что Насыщение основанием составляет 15/20 x 100% = 75% (предполагается, что дополнительные 25% образуют кислотные катионы или протоны ). Насыщение основания почти прямо пропорционально pH (оно увеличивается с увеличением pH). ^[195]Его можно использовать для расчета количества извести, необходимого для нейтрализации кислой почвы (потребность в извести). Количество извести, необходимое для нейтрализации почвы, должно учитывать количество образующих кислоту ионов на коллоидах (обменная кислотность), а не только в водном растворе почвы (свободная кислотность). ^[196] Добавление достаточного количества извести для нейтрализации водного раствора почвы будет недостаточным для изменения pH, поскольку образующие кислоту катионы, хранящиеся в почвенных коллоидах, будут стремиться восстановить исходное состояние pH, поскольку они отталкиваются от этих коллоидов кальцием. добавленной извести. ^[197]

Буферизация [ править ]

Устойчивость почвы к изменению pH в результате добавления кислоты или основного материала является мерой буферной способности почвы и (для конкретного типа почвы) увеличивается по мере увеличения CEC . Следовательно, чистый песок почти не обладает буферной способностью, в то время как почвы с высоким содержанием коллоидов (минеральных или органических) обладают высокой буферной способностью . ^[198] Буферизация происходит путем катионного обмена и нейтрализации . Однако коллоиды - не единственные регуляторы pH почвы. Следует также подчеркнуть роль карбонатов . ^{[199] В} более общем плане, согласно уровням pH, несколько буферных систем имеют приоритет друг над другом, начиная с диапазон буфера карбоната кальция до диапазона буфера железа. ^[200]

Добавление небольшого количества высокоосновного водного аммиака в почву заставит аммоний вытеснить ионы водорода из коллоидов, и конечным продуктом будет вода и коллоидно фиксированный аммоний, но небольшое постоянное изменение общего pH почвы.

Добавление небольшого количества извести , Ca (OH) ₂ , вытеснит ионы водорода из почвенных коллоидов, вызывая фиксацию кальция на 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 фиксироваться в коллоидах (забуференным), а уменьшение раствора этого катиона приведет к его удалению из коллоида и перемещению в раствор ( в буфере). Степень буферности часто связана с ЦИК почвы; чем больше CEC, тем больше буферная способность почвы. ^[201]

Питательные вещества [ править ]

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). ^{[203] [204] [205]}Питательные вещества, необходимые растениям для завершения их жизненного цикла, считаются незаменимыми 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 , поставляемого углекислого газа и воды и азота, при условии , через фиксации азота , ^[205] питательные вещества вытекают первоначально из минерального компонента почвы. Закон минимума выражает то , что при наличии формы питательных веществ не в достаточной пропорции в почвенном растворе, а затем и другие питательные вещества не могут быть рассмотрены при оптимальной скорости на заводе. ^[206]Таким образом, для оптимизации роста растений необходимо определенное соотношение питательных веществ в почвенном растворе, значение, которое может отличаться от соотношений питательных веществ, рассчитанных на основе состава растений. ^[207]

Поглощение растениями питательных веществ может происходить только тогда, когда они присутствуют в доступной для растений форме. В большинстве случаев питательные вещества абсорбируются в ионной форме из почвенной воды (или вместе с ней). Хотя минералы являются источником большинства питательных веществ, а основная масса 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 тонкоизмельченных минералов, полевого шпата и апатита , редко обеспечивает необходимое количество калия и фосфора со скоростью, достаточной для хорошего роста растений, поскольку большинство питательных веществ остается связанными в кристаллах этих минералов. ^[208]

Питательные вещества, адсорбированные на поверхности коллоидов глины и органического вещества почвы, являются более доступным резервуаром многих питательных веществ для растений (например, K, Ca, Mg, P, Zn). По мере того как растения поглощают питательные вещества из почвенной воды, пул растворимых веществ пополняется из поверхностного водоема. Разложение почвенного органического вещества микроорганизмами - еще один механизм, посредством которого пополняется пул растворимых питательных веществ - это важно для поступления доступных для растений азота, серы, фосфора и витамина B из почвы. ^[209]

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. ^[210] Однако, несмотря на большую способность гумуса удерживать воду после замачивания, его высокая гидрофобность снижает его смачиваемость . ^[211] В целом, небольшое количество гумуса может значительно увеличить способность почвы способствовать росту растений. ^{[212] [209]}

Органическое вещество почвы [ править ]

Органическое вещество почвы 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. ^[213]

Несколько процентов органического вещества почвы с малым временем пребывания состоит из микробной биомассы и метаболитов бактерий, плесени и актиномицетов, которые разрушают мертвое органическое вещество. ^{[214] [215]} Если бы не действие этих микроорганизмов, вся часть углекислого газа в атмосфере была бы поглощена как органическое вещество в почве. Однако в то же время почвенные микробы способствуют связыванию углерода в верхнем слое почвы за счет образования стабильного гумуса . ^[216] С целью улавливания большего количества углерода в почве для уменьшения парникового эффекта.в долгосрочной перспективе было бы более эффективно стимулировать гумификацию, чем уменьшать разложение подстилки . ^[217]

Основная часть органического вещества почвы представляет собой сложный комплекс небольших органических молекул, вместе называемых гумусом или гуминовыми веществами. Использование этих терминов, которые не основываются на четкой химической классификации, было сочтено устаревшим. ^[218] Другие исследования показали, что классическое понятие молекулы не подходит для гумуса, который избежал большинства попыток, предпринятых в течение двух столетий, чтобы разделить его на отдельные компоненты, но все же химически отличается от полисахаридов, лигнинов и белков. ^[219]

Большинство живых существ в почвах, включая растения, животных, бактерии и грибы, зависят от органических веществ в качестве питательных веществ и / или энергии. В почвах есть органические соединения с разной степенью разложения, скорость которой зависит от температуры, влажности почвы и аэрации. Бактерии и грибы питаются необработанным органическим веществом, которым питаются простейшие , которые, в свою очередь, питаются нематодами , кольчатыми червями и членистоногими , которые сами могут потреблять и преобразовывать сырое или гумифицированное органическое вещество. Это называется почвенной пищевой цепью , через которую перерабатывается все органическое вещество, как в пищеварительной системе . ^[220]Органические вещества удерживают почву открытой, позволяя проникать воздуху и воде, и могут удерживать в воде вдвое больше своего веса. Многие почвы, включая пустынные и каменисто-гравийные, практически не содержат органических веществ. Почвы, состоящие из органических веществ, например торф ( гистозоли ), бесплодны. ^[221] На самой ранней стадии разложения исходный органический материал часто называют неочищенным органическим веществом. Заключительная стадия разложения называется гумусом .

На пастбищах большая часть органического вещества, добавляемого в почву, поступает из глубокой, волокнистой корневой системы травы. Напротив, листья деревьев, падающие на лесную подстилку, являются основным источником почвенного органического вещества в лесу. Еще одно отличие состоит в частом возникновении на пастбищах 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 в почвах под лугами обычно образуется 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 (О горизонт ) и тонкий горизонт А. ^[222]

Хумус [ править ]

Гумус относится к органическому веществу, которое было разложено почвенной микрофлорой и фауной до такой степени, что оно становится устойчивым к дальнейшему разложению. Гумус обычно составляет всего пять процентов почвы или меньше по объему, но он является важным источником питательных веществ и добавляет важные структурные качества, имеющие решающее значение для здоровья почвы и роста растений . ^[223] Гумус также питает членистоногих, термитов и дождевых червей, улучшая почву. ^[224] Конечный продукт, гумус, находится в коллоидной форме в почвенном растворе и образует слабую кислоту, которая может разрушать силикатные минералы. ^[225]Гумус обладает высокой способностью обмена катионов и анионов, которая в пересчете на сухой вес во много раз выше, чем у коллоидов глины. Он также действует как буфер, как глина, против изменений pH и влажности почвы. ^[226]

Гуминовые кислоты и фульвокислоты , которые начинаются как необработанные органические вещества, являются важными составляющими гумуса. После гибели растений, животных и микробов микробы начинают питаться остатками, производя внеклеточные ферменты почвы , что в конечном итоге приводит к образованию гумуса. ^[227] Когда остатки распадаются, только молекулы, состоящие из алифатических и ароматических углеводородов, собранные и стабилизированные кислородными и водородными связями, остаются в форме сложных молекулярных ансамблей, вместе называемых гумусом. ^[219] Гумус никогда не бывает чистым в почве, потому что он реагирует с металлами и глинами с образованием комплексов, которые в дальнейшем способствуют его стабильности иструктура почвы . ^[226] Хотя структура гумуса сама по себе содержит мало питательных веществ (за исключением составляющих металлов, таких как кальций, железо и алюминий), он способен притягивать и связывать посредством слабых связей катионные и анионные питательные вещества, которые в дальнейшем могут высвобождаться в почвенный раствор в ответ на избирательное поглощение корнями и изменение pH почвы, процесс первостепенной важности для поддержания плодородия тропических почв. ^[228]

Лигнин устойчив к разрушению и накапливается в почве. Оно также вступает в реакцию с белками , ^[229] , который дополнительно увеличивает его устойчивость к разложению, в том числе ферментативного разложения с помощью микробов. ^[230] Жиры и воски из растительного материала 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. ^[231] Глинистые почвы часто имеют более высокое содержание органических веществ, которые сохраняются дольше, чем почвы без глины, поскольку органические молекулы прикрепляются к глине и стабилизируются ею. ^[232] Белки обычно легко разлагаются, за исключением склеропротеинов., но связанные с частицами глины, они становятся более устойчивыми к разложению. ^[233] Что касается других белков, частицы глины поглощают ферменты, выделяемые микробами, снижая активность ферментов, одновременно защищая внеклеточные ферменты от разложения. ^[234] Добавление органического вещества в глинистые грунты может оказать , что органическое вещество и любые добавленные питательные вещества , недоступные для растений и микроорганизмов в течение многих лет, ^{[ править ]} в то время как исследования показали увеличение плодородия почвы после добавления зрелого компоста на глинистую почву . ^[235] Высокое содержание танинов в почве может привести к секвестрированию азота в виде устойчивых танин-белковых комплексов.^{[236] [237]}

Образование гумуса - это процесс, зависящий от количества ежегодно добавляемого растительного материала и типа основной почвы. Оба зависят от климата и типа присутствующих организмов. ^[238] Почвы с гумусом могут различаться по содержанию азота, но обычно содержат от 3 до 6 процентов азота. Необработанное органическое вещество, как запас азота и фосфора, является жизненно важным компонентом, влияющим на плодородие почвы . ^[221] Гумус также поглощает воду и расширяется и сжимается между сухим и влажным состояниями в большей степени, чем глина, что увеличивает пористость почвы . ^[239]Гумус менее стабилен, чем минеральные составляющие почвы, так как он уменьшается в результате микробного разложения, и со временем его концентрация уменьшается без добавления нового органического вещества. Однако гумус в его наиболее устойчивых формах может сохраняться веками, если не тысячелетиями. ^[240] Древесный уголь является источником высокостабильного гумуса, называемого сажистым углеродом , ^[241] который традиционно использовался для улучшения плодородия бедных питательными веществами тропических почв. Эта очень древняя практика, подтвержденная происхождением темных земель Амазонки , была обновлена ​​и стала популярной под названием biochar . Было высказано предположение, что биочар можно использовать для связывания большего количества углерода.в борьбе с парниковым эффектом . ^[242]

Климатологическое влияние [ править ]

Производство, накопление и разложение органических веществ во многом зависят от климата. Температура, влажность почвы и рельеф являются основными факторами, влияющими на накопление органических веществ в почвах. Органические вещества имеют тенденцию накапливаться во влажных или холодных условиях, когда активности разложителя препятствует низкая температура ^[243] или избыток влаги, что приводит к анаэробным условиям. ^[244]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 полагаются на эффективную переработку питательных веществ и растительных веществ живыми растениями и микробной биомассой для поддержания своей продуктивности, а этот процесс нарушается в результате деятельности человека. ^[245] Чрезмерный уклон, в частности, при возделывании земель для ведения сельского хозяйства, может способствовать эрозии верхнего слоя почвы, который содержит большую часть необработанного органического материала, который в противном случае в конечном итоге превратился бы в гумус. ^[246]

Растительные остатки [ править ]

Целлюлоза и гемицеллюлоза быстро разлагаются грибами и бактериями с периодом полураспада 12–18 дней в умеренном климате. ^[247] Грибы бурой гнили могут разлагать целлюлозу и гемицеллюлозу, оставляя лигнин и фенольные соединения . Крахмал , являющийся системой хранения энергии для растений, быстро разлагается бактериями и грибами. Лигнин состоит из полимеров, состоящих из 500-600 единиц с сильно разветвленной аморфной структурой, связанных с целлюлозой, гемицеллюлозой и пектином в стенках растительных клеток . Лигнин очень медленно разлагается, в основном за счетгрибы белой гнили и актиномицеты ; его период полураспада в умеренных условиях составляет около шести месяцев. ^[247]

Горизонты [ править ]

Горизонтальный слой почвы, физические характеристики, состав и возраст которого отличаются от слоев выше и ниже, называют горизонтом почвы . Название горизонта основано на типе материала, из которого он составлен. Эти материалы отражают продолжительность конкретных процессов почвообразования . Они маркируются с использованием сокращенного обозначения букв и цифр, которые описывают горизонт с точки зрения его цвета, размера, текстуры, структуры, плотности, количества корней, pH, пустот, характеристик границ и наличия конкреций или конкреций. ^[248] Ни один почвенный профиль не охватывает все основные горизонты. Некоторые, называемые энтисолями, Может иметь только один горизонт или в настоящее время рассматриваются как не имеющие горизонта, в частности зарождающихся почв от неистребованный отходов добычи месторождений, ^[249] морены , ^[250] вулканические конусы ^[251] песчаные дюны или аллювиальные террасы . ^[252] Верхние горизонты почвы могут отсутствовать в усеченных почвах из-за ветровой или водной абляции, с сопутствующим заглублением горизонтов почвы вниз по склону, естественным процессом, усугубляемым сельскохозяйственными методами, такими как обработка почвы . ^[253] Рост деревьев является еще одним источником беспокойства, создавая микромасштабную неоднородность, которая все еще видна в горизонтах почвы после гибели деревьев. ^[254]Переходя от горизонта к другому, от верха к низу почвенного профиля, человек возвращается во времени, причем прошлые события регистрируются в горизонтах почвы, как и в слоях отложений . Отбор проб пыльцы , раковинных амеб и растительных остатков в горизонтах почвы может помочь выявить изменения окружающей среды (например, изменение климата, изменение землепользования ), которые произошли в процессе почвообразования. ^[255] Почвенные горизонты можно датировать несколькими методами, такими как радиоуглерод с использованием кусков древесного угля при условии, что они имеют достаточный размер, чтобы избежать педотурбации, вызванной деятельностью дождевых червей и другими механическими нарушениями. ^[256]Горизонты ископаемых почв из палеопочв могут быть обнаружены в толщах осадочных пород , что позволяет изучать окружающую среду прошлого. ^[257]

Воздействие на основной материал благоприятных условий приводит к образованию минеральных почв, мало пригодных для роста растений, как в случае эродированных почв. ^[258] Рост растительности приводит к образованию органических остатков, которые падают на землю в качестве подстилки для надземных частей растений (опавшие листья) или образуются непосредственно под землей для подземных органов растений (корневой опад), а затем выделяют растворенные органические вещества . ^[259] Оставшийся поверхностный органический слой, называемый горизонтом O , 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. ^[260]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 завершается при наличии неблагоприятных для жизни почвы условий, таких как сильная кислотность, холодный климат или загрязнение, обусловленных накоплением неразложившегося органического вещества в пределах одного органического горизонта, лежащего над минеральной почвой ^[261], и в почве. сопоставление гумифицированного органического вещества и минеральных частиц без тесного смешения в нижележащих минеральных горизонтах. ^[262]

Классификация [ править ]

Почвы классифицируются по категориям, чтобы понять взаимосвязь между различными почвами и определить пригодность почвы в конкретном регионе. Одна из первых систем классификации была разработана русским ученым Василием Докучаевым около 1880 года. ^[263] Она несколько раз изменялась американскими и европейскими исследователями и превратилась в систему, обычно используемую до 1960-х годов. Он был основан на идее, что почвы имеют особую 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 почвообразующих факторах. С тех пор он претерпел дальнейшие модификации. ВВсемирная справочная база почвенных ресурсов (WRB) ^[264] направлена ​​на создание международной справочной базы для классификации почв.

Использует [ редактировать ]

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 первичной областью почвоведения задолго до появления почвоведения в XIX веке. Однако, как продемонстрировали 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. ^[265]

Почвенный материал также является важным компонентом в горнодобывающей, строительной и ландшафтной отраслях. ^[266] Почва служит фундаментом для большинства строительных проектов. Перемещение огромных объемов грунта может быть связано с открытием горных работ , дорожным строительством и строительством плотин . Земляное укрытие - это архитектурная практика использования грунта в качестве внешней тепловой массы у стен зданий. Многие строительные материалы имеют почвенную основу. Потеря почвы в результате урбанизации растет быстрыми темпами во многих областях и может иметь решающее значение для поддержания натурального сельского хозяйства . ^[267]

Почвенные ресурсы имеют решающее значение для окружающей среды, а также для производства продуктов питания и волокна, производя 98,8% продуктов питания, потребляемых людьми. ^[268] Почва обеспечивает растения минералами и водой в соответствии с несколькими процессами, участвующими в питании растений . Почва поглощает дождевую воду и выпускает ее позже, тем самым предотвращая наводнения и засуху, а регулирование паводков является одной из основных экосистемных услуг, обеспечиваемых почвой. ^[269] Почва очищает воду, просачиваясь сквозь нее. ^[270] Почва является средой обитания многих организмов: большая часть известного и неизвестного биоразнообразия находится в почве в виде беспозвоночных ( дождевые черви , мокрицы)., многоножки , многоножки , улитки , слизни , клещи , коллембол , энхитреиды , нематоды , простейшие ), бактерии , археи , грибы и водоросли ; и большинство организмов, живущих над землей, имеют часть из них ( растения ) или проводят часть своего жизненного цикла ( насекомые ) под землей. ^[271] надземное и подземное по биологическому разнообразию тесно связаны между собой, ^{[238] [272]} делает защита почвыимеет первостепенное значение для любого плана восстановления или консервации .

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 улавливают и улавливают значительное количество углерода путем фотосинтеза . Плохие методы ведения сельского хозяйства и выпаса скота привели к деградации почв и выбросу большей части этого секвестрированного углерода в атмосферу. Восстановление почв в мире может компенсировать эффект увеличения выбросов парниковых газов и замедления глобального потепления , одновременно повышая урожайность сельскохозяйственных культур и сокращая потребности в воде. ^{[273] [274][275]}

Управление отходами часто имеет почвенный компонент. Септические дренажные поля обрабатывают стоки септиков с использованием аэробных почвенных процессов. Внесение сточных вод в землю зависит от биологии почвы для аэробной обработки БПК . В качестве альтернативы, свалки используют почву для ежедневного укрытия , изолируя отложения отходов от атмосферы и предотвращая появление неприятных запахов. Компостирование в настоящее время широко используется для обработки твердых бытовых отходов с аэробной точки зрения и высушенных стоков из отстойников . Хотя компост не является почвой, биологические процессы, происходящие во время компостирования, аналогичны тем, которые происходят во время разложения.и гумификация из органического вещества почвы . ^[276]

Органические почвы, особенно торф , служат значительным топливным и садовым ресурсом. Торфяные почвы также обычно используются в сельскохозяйственных целях в северных странах, потому что участки торфяников после осушения создают плодородные почвы для производства продуктов питания. ^[277] Однако обширные районы производства торфа, такие как богарные сфагновые болота , также называемые сплошными или верховыми болотами , в настоящее время охраняются из-за их родового интереса. Например, Flow Country , занимающая 4000 квадратных километров холмистых болот в Шотландии, теперь является кандидатом на включение в Список всемирного наследия . При современномСчитается, что торфяные почвы, подверженные глобальному потеплению, участвуют в самоусиливающемся ( положительная обратная связь ) процессе увеличения выбросов парниковых газов ( метана и углекислого газа ) и повышения температуры ^[278], утверждение, которое все еще обсуждается при замене в масштабе поля и в том числе стимулированный рост растений. ^[279]

Геофагия - это употребление в пищу веществ, похожих на почву. И животные, и люди иногда потребляют почву в лечебных, развлекательных или религиозных целях. ^[280] Было показано, что некоторые обезьяны потребляют почву вместе со своей любимой пищей ( листва деревьев и фрукты ), чтобы уменьшить токсичность танинов . ^[281]

Почвы фильтруют и очищают воду и влияют на ее химический состав. Дождевая вода и объединенная вода из прудов, озер и рек просачиваются через горизонты почвы и верхние слои горных пород , становясь, таким образом, грунтовыми водами . Вредители ( вирусы ) и загрязнители , такие как стойкие органические загрязнители ( хлорированные пестициды , полихлорированные бифенилы ), масла ( углеводороды ), тяжелые металлы ( свинец , цинк , кадмий ) и избыточные питательные вещества ( нитраты , сульфаты , фосфаты ) отфильтровываются земля.^[282] Почвенные организмы метаболизируют их или иммобилизуют в своей биомассе и некромассе, ^[283] тем самым превращая их в стабильный гумус. ^[284] Физическая целостность почвы также является предпосылкой для предотвращения оползней в суровых ландшафтах. ^[285]

Деградация [ править ]

Деградация земель относится к антропогенным или естественным процессам, которые ухудшают способность земли функционировать. ^[286] Деградация почвы включает подкисление , загрязнение , опустынивание , эрозию или засоление . ^[287]

Подкисление почвы полезно в случае щелочных почв , но оно приводит к деградации земель, когда снижает урожайность сельскохозяйственных культур , биологическую активность почвы и увеличивает уязвимость почвы к загрязнению и эрозии . Почвы изначально кислые и остаются такими, когда в их исходных материалах мало основных катионов ( кальция , магния , калия и натрия ). На исходных материалах, более богатых атмосферными минералами, подкисление происходит при выщелачивании основных катионов.из профиля почвы за счет дождя или вывозится при заготовке лесных или сельскохозяйственных культур. Подкисление почвы ускоряется применением кислотообразующих азотных удобрений и действием кислотных осадков . Вырубка лесов - еще одна причина закисления почвы, вызванная повышенным вымыванием питательных веществ из почвы при отсутствии крон деревьев . ^[288]

Низкое загрязнение почвы часто находится в пределах способности почвы обрабатывать и ассимилировать отходы . Почвенная биота может обрабатывать отходы путем их преобразования, в основном за счет микробной ферментативной активности. ^[289] Органическое вещество почвы и минералы почвы могут адсорбировать отходы и снижать их токсичность , ^[290] хотя в коллоидной форме они могут переносить адсорбированные загрязнители в подземную среду. ^[291] Многие процессы обработки отходов основаны на этой естественной биоремедиации.емкость. Превышение очистной способности может повредить почвенную биоту и ограничить функцию почвы. Заброшенные почвы возникают там, где промышленное загрязнение или другая деятельность по развитию повреждают почву до такой степени, что земля не может использоваться безопасно или продуктивно. При восстановлении заброшенной почвы используются принципы геологии, физики, химии и биологии для разложения, ослабления, изоляции или удаления загрязнителей почвы с целью восстановления функций и ценностей почвы . Методы включают выщелачивание , барботирование воздуха , кондиционирование почвы , фиторемедиацию , биоремедиацию и контролируемое естественное ослабление (MNA) . Пример диффузного загрязнения загрязняющими веществами:накопление меди в виноградниках и садах, в которых неоднократно применяют фунгициды, даже в органическом земледелии . ^[292]

Опустынивание - это экологический процесс деградации экосистем в засушливых и полузасушливых регионах, часто вызываемый плохо адаптированной деятельностью человека, такой как чрезмерный выпас скота или чрезмерная заготовка дров . Распространено заблуждение, что засуха вызывает опустынивание. ^[293] Засухи обычны для засушливых и полузасушливых земель. Хорошо управляемые земли могут оправиться от засухи, когда вернутся дожди. Инструменты управления почвой включают поддержание уровней питательных и органических веществ в почве, уменьшение обработки почвы и увеличение покрытия. ^[294]Эти методы помогают контролировать эрозию и поддерживать продуктивность в периоды наличия влаги. Однако продолжающееся злоупотребление землей во время засух усиливает деградацию земель. Рост численности населения и животноводства на маргинальных землях ускоряет опустынивание. ^[295] В настоящее время ставится под сомнение, будет ли нынешнее потепление климата способствовать опустыниванию или нет, с противоречивыми сообщениями о прогнозируемых тенденциях выпадения осадков, связанных с повышением температуры, и сильными расхождениями между регионами, даже в одной и той же стране. ^[296]

Эрозия почвы вызывается водой , ветром , льдом и движением под действием силы тяжести . Одновременно может происходить более одного вида эрозии. Эрозия отличается от выветривания , поскольку эрозия также переносит эродированную почву от места ее возникновения (транзитная почва может быть описана как отложения ). Эрозия - естественный естественный процесс, но во многих местах он значительно усиливается в результате деятельности человека, особенно из-за неприемлемых методов землепользования . ^[297] К ним относятся сельскохозяйственная деятельность, при которой почва остается обнаженной во время сильного дождя или сильного ветра, чрезмерного выпаса скота и т. Д.вырубка лесов и ненадлежащая строительная деятельность. Улучшенное управление может ограничить эрозию. Методы сохранения почвы , которые использованы , включают изменения землепользования (например, замены подверженных эрозии культур с травой или другими почвенных-связывающими растениями), изменения в сроки или вида сельскохозяйственных работ, террасы здания, использование эрозионно-подавлении материалов для покрытий ( включая покровные культуры и другие растения ), ограничивая нарушение во время строительства и избегая строительства в периоды, подверженные эрозии, и в подверженных эрозии местах, таких как крутые склоны. ^[298]Исторически одним из лучших примеров крупномасштабной эрозии почвы из-за неприемлемых методов землепользования является ветровая эрозия (так называемая пылевая чаша ), которая разрушила прерии Америки и Канады в 1930-х годах, когда фермеры-иммигранты, поощряемые федеральным правительством обеих стран заселили и превратили первоначальную низкотравную прерию в сельскохозяйственные культуры и разведение крупного рогатого скота .

Серьезная и давняя проблема водной эрозии возникает в Китае , в среднем течении Желтой реки и верховьях реки Янцзы . Из реки Хуанхэ в океан ежегодно попадает более 1,6 миллиарда тонн наносов. В наносов берет начало в первую очередь от водной эрозии (размыва) в лессовых плато область на северо - западе Китая. ^[299]

Почвенные трубопроводы - это особая форма эрозии почвы, которая происходит под поверхностью почвы. ^[300] Это приводит к дамбе и плотине недостаточности, а также раковина отверстие пласта. Турбулентный поток удаляет почву , начиная с устья отфильтрованной потока и подпочвы эрозии достижений вверх-градиента. ^[301] Термин « кипение песка» используется для описания внешнего вида выпускного конца активной грунтовой трубы. ^[302]

Засоление почвы - это накопление свободных солей до такой степени, что оно приводит к снижению сельскохозяйственной ценности почв и растительности. Последствия включают коррозионное повреждение, снижение роста растений, эрозию из-за потери растительного покрова и структуры почвы, а также проблемы с качеством воды из-за отложения отложений . Засоление происходит из-за сочетания природных и антропогенных процессов. Засушливые условия способствуют накоплению солей. Это особенно заметно, когда почвенный материал засолен. Особенно проблематично орошение засушливых земель. ^[303]Вся оросительная вода имеет определенный уровень солености. Орошение, особенно когда оно связано с утечками из каналов и избыточным орошением на поле, часто повышает уровень грунтовых вод . Быстрое засоление происходит, когда поверхность земли находится внутри капиллярной каймы засоленных грунтовых вод . Контроль засоления почвы включает контроль уровня воды и промывку более высокими уровнями применяемой воды в сочетании с дренажем плиткой или другой формой подземного дренажа . ^{[304] [305]}

Рекультивация [ править ]

Почвы, содержащие большое количество определенных глин с высокими набухаемыми свойствами, 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 производстве риса поставило под угрозу эти почвы, вынудив фермеров применять комплексные методы, основанные на Принципах работы по снижению затрат (CROP). ^[306]

Однако многим фермерам в тропических регионах трудно удерживать органические вещества и глину в почвах, на которых они работают. В последние годы, например, снизилась продуктивность и усилилась эрозия почвы на слабоглинистых почвах северного Таиланда после отказа от сменной обработки земли в пользу более постоянного землепользования. ^[307] Фермеры сначала отреагировали добавлением органических веществ и глины из материала термитников , но в долгосрочной перспективе это было неустойчиво из-за разрежения термитов. Ученые экспериментировали с добавлением в почву бентонита , одного из смектитовых глин. В полевых испытаниях, проведенных учеными Международного института управления водными ресурсами.в сотрудничестве с Университетом Кхон Каен и местными фермерами это помогло сохранить воду и питательные вещества. Дополнение обычной практики фермера однократным внесением 200 кг бентонита на рай (6,26 рай = 1 га) привело к увеличению урожайности в среднем на 73%. ^[308] Другие исследования показали, что применение бентонита на деградированных песчаных почвах снижает риск неурожая в засушливые годы. ^[309]

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 добавку глины, было на 18% выше, чем для пользователей, не использующих глину. Использование глины позволило некоторым фермерам переключиться на выращивание овощей, которым нужна более плодородная почва. Это помогло увеличить их доход. Исследователи подсчитали, что 200 фермеров на северо-востоке Таиланда и 400 фермеров в Камбодже переняли использование глин, и что еще 20 000 фермеров были ознакомлены с новой техникой. ^[310]

Если в почве слишком много глины или солей (например, соленая натриевая почва ), добавление гипса , промытого речного песка и органических веществ (например, твердых бытовых отходов ) уравновесит состав. ^[311]

Добавление органических веществ, таких как колотая ветка или компост , в почву, обедненную питательными веществами и слишком много песка, повысит ее качество и улучшит производство. ^{[312] [313]}

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 доколумбийских темных земель Амазонки , также называемых Terra Preta de Índio, из-за интересных физических свойств. и химические свойства почвенного черного углерода как источника стабильного гумуса . ^[314]

История учебы и исследований [ править ]

История изучения почвы тесно связана с насущной потребностью человека в обеспечении себя пищей и фуражом для своих животных. На протяжении всей истории цивилизации процветали или приходили в упадок в зависимости от доступности и продуктивности их почв. ^[315]

Исследования плодородия почвы [ править ]

Греческому историку Ксенофонту (450–355 гг. До н. Э. ) Приписывают то, что он первым разъяснил достоинства зеленых удобрений: «Но тогда все сорняки на земле, превращаясь в землю, обогащают почву так же, как навоз. " ^[316]

Компания Columella 's Of Agriculture , около 60 г. н.э. , выступала за использование извести и за отказ от клевера и люцерны ( сидеральные удобрения ), ^[317] и использовалась 15 поколениями (450 лет) во времена Римской империи до ее краха. ^{[316] [318]} С момента падения Рима до Французской революции знания о почве и сельском хозяйстве передавались от родителей к детям, и в результате урожайность была низкой. В период европейского средневековья , Справочник Яхьи ибн аль-Аввама , ^[319]уделяя особое внимание ирригации, руководили людьми Северной Африки, Испании и Ближнего Востока ; перевод этого произведения был наконец перенесен на юго-запад Соединенных Штатов, когда он находился под испанским влиянием. ^[320] Оливье де Серр , считающийся отцом французской агрономии , был первым, кто предложил отказаться от парования и заменить его сенокосными лугами в севооборотах , и он подчеркнул важность почвы (французского терруара ) в управлении земледелием. виноградники . Его знаменитая книга Le Théâtre d'Agriculture et mesnage des champs ^[321]способствовали подъему современного устойчивого сельского хозяйства и крушению старых методов ведения сельского хозяйства, таких как улучшение почвы для сельскохозяйственных культур путем удаления лесной подстилки и обработки почвы , которые разрушили почвы Западной Европы в средние века и даже позже, в зависимости от регионов. ^[322]

Эксперименты по выяснению того, что заставляло растения расти первыми, привели к идее, что зола, оставшаяся после сжигания растительного материала, была важным элементом, но упускали из виду роль азота, который не остается на земле после сжигания, - мнение, которое преобладало до 19 века. . ^[323] Примерно в 1635 году фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт подумал, что доказал, что вода является важным элементом в своем знаменитом пятилетнем эксперименте с ивой, выращенной только с добавлением дождевой воды. Его заключение было основано на том факте, что увеличение веса растения, по-видимому, было вызвано только добавлением воды, без уменьшения веса почвы. ^{[324] [325] [326]} 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 земное вещество было существенным элементом. Другие пришли к выводу, что гумус в почве передал растущему растению некоторую сущность. Третьи считали, что принцип жизненного роста - это что-то, что передается от мертвых растений или животных новым растениям. В начале 18-го века Джетро Талл продемонстрировал, что обрабатывать (перемешивать) почву полезно, но его мнение о том, что перемешивание делает мелкие части почвы доступными для поглощения растений, было ошибочным. ^{[325] [327]}

По мере развития химии ее применяли для исследования плодородия почв . Французский химик Антуан Лавуазье примерно в 1778 году показал, что растения и животные должны [сжигать] кислород внутри, чтобы жить, и пришел к выводу, что большая часть ивы ван Гельмонта весом 165 фунтов получены из воздуха. ^[328] Французский земледелец Жан-Батист Буссинго с помощью экспериментов получил доказательства, показывающие, что основными источниками углерода, водорода и кислорода для растений являются воздух и вода, а азот - из почвы. ^[329] Юстус фон Либих в своей книге « Органическая химия в ее приложениях к сельскому хозяйству и физиологии».(опубликовано в 1840 г.), утверждал, что химические вещества в растениях должны поступать из почвы и воздуха и что для поддержания плодородия почвы использованные минералы необходимо заменять. ^[330] Либих, тем не менее, полагал, что азот подавался из воздуха. Обогащение почвы гуано инками было открыто в 1802 году Александром фон Гумбольдтом . Это привело к его добыче и добыче чилийского нитрата, а также к его внесению в почву в Соединенных Штатах и ​​Европе после 1840 года ^[331].

Работа Либиха произвела революцию в сельском хозяйстве, поэтому другие исследователи начали эксперименты на ее основе. В Англии Джон Беннет Лоуз и Джозеф Генри Гилберт работали на экспериментальной станции в Ротамстеде , основанной первым, и (повторно) обнаружили, что растения забирают азот из почвы и что соли должны быть в доступном состоянии, чтобы растения могли их усвоить. Их исследования также дали суперфосфат , состоящий в кислотной обработке фосфоритной руды. ^[332] Это привело к изобретению и использованию солей калия (K) и азота (N) в качестве удобрений. Аммиак, образующийся при производстве кокса, рекуперировали и использовали в качестве удобрения. ^[333]Наконец, была изучена химическая основа питательных веществ, доставляемых в почву в виде навоза, и в середине 19 века были применены химические удобрения. Однако динамическое взаимодействие почвы и ее жизненных форм все еще ждало открытия.

В 1856 году Дж. Томас Уэй обнаружил, что аммиак, содержащийся в удобрениях, превращается в нитраты ^[334], а двадцать лет спустя Роберт Уорингтон доказал, что это преобразование осуществлялось живыми организмами. ^[335] В 1890 году Сергей Виноградский объявил, что обнаружил бактерии, ответственные за это преобразование. ^[336]

Было известно, что некоторые бобовые могут поглощать азот из воздуха и связывать его с почвой, но развитие бактериологии в конце XIX века привело к пониманию роли, которую играют бактерии в фиксации азота . Симбиоз бактерий и корней зернобобовых культур и фиксация азота бактериями были одновременно открыты немецким агрономом Германом Хеллригелем и голландским микробиологом Мартинусом Бейеринком . ^[332]

Севооборот , механизация, химические и натуральные удобрения привели к удвоению урожайности пшеницы в Западной Европе между 1800 и 1900 годами ^[337].

Исследования почвообразования [ править ]

Ученые, изучавшие почву в связи с сельскохозяйственной практикой, рассматривали ее в основном как статический субстрат. Однако почва является результатом эволюции более древних геологических материалов под действием биотических и абиотических процессов. После того, как начались исследования по улучшению почвы, другие исследователи начали изучать генезис почвы и, как следствие, типы и классификации почв.

В 1860 году в Миссисипи Юджин В. Хилгард (1833-1916) изучал взаимосвязь между горным материалом, климатом, растительностью и типом создаваемых почв. Он понял, что почвы являются динамическими, и рассмотрел классификацию типов почв. ^[338] К сожалению, его работа не была продолжена. Примерно в то же время Фридрих Альберт Фаллоу описывал профили почвы и связывал характеристики почвы с их формированием в рамках своей профессиональной работы по оценке лесов и сельскохозяйственных угодий в княжестве Саксония . Его книга 1857 года Anfangsgründe der Bodenkunde (Первые принципы почвоведения) установила современное почвоведение. ^[339]Одновременно с работами Фаллоу и движимый той же потребностью в точной оценке земель с точки зрения справедливого налогообложения, Василий Докучаев возглавил группу почвоведов в России, которые провели обширное исследование почв, обнаружив, что одинаковые основные породы, климат и типы растительности приводят к одинаковым слоистость и типы почв, а также установили концепции классификации почв. Из-за языковых барьеров работа этой группы не была известна Западной Европе до 1914 года через публикацию на немецком языке Константина Глинки , члена русской группы. ^[340]

Кертис Ф. Марбут , находясь под влиянием работы российской группы, перевел публикацию Глинки на английский язык ^[341] и, поскольку он был назначен ответственным за Национальное совместное обследование почв США , применил ее к национальной системе классификации почв. ^[325]

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме почв .

В Викицитаторе есть цитаты, связанные с: почвой

Ссылки [ править ]