Основы - Что такое почвы?


Автор: Brian A. Needelman  (адъюнкт-профессор почвоведения Мэрилендского университета) © 2013 Nature Education 

Ссылка: Needelman, B. A. (2013) 

Что такое почвы? Знание о природе 4 (3): 2


В этой статье читатели знакомятся со многими аспектами почв - их уникальными характеристиками и разнообразием, экосистемными услугами, которые обеспечивают почвы, а также их использованием и неправильным использованием.


Почвы представляют собой динамичные и разнообразные природные системы, лежащие на стыке земли, воздуха, воды и жизни. Они являются критически важными поставщиками экосистемных услуг для существования человечества. Улучшение сохранения (консервации) и управления почвами является одной из главных проблем и возможностей, с которыми мы сталкиваемся в 21 веке.

Почва 0

Почва – рецепт из пяти ингредиентов

Почва представляет собой материал, состоящий из пяти компонентов: минералов, органической материи (вещества) почвы, живых организмов, газа и воды. Почвенные минералы делятся по размеру на три класса— глина, ил и песок (рис. 1); процентное содержание частиц в этих размерных классах называется текстурой почвы. Минералогический состав почв разнообразен.

Например, глинистый минерал под названием смектит может сжиматься и набухать при намокании и высыхании настолько сильно (рис. 2), что может опрокидывать здания. Наиболее распространенным минералом в почвах является кварц; из него получаются красивые кристаллы, но он не очень реакционноспособен. Органическая материя (вещество) почвы — растительные, животные и микробные остатки в различной степени разложения; это важнейший компонент — на самом деле процент почвенной органической материи (вещества) в почве является одним из лучших показателей качества сельскохозяйственной почвы. (http://soils.usda.gov/sqi/) (рис. 3). Цвета почвы варьируются от обычных коричневых, желтых, красных, серых, белых и черных до редких цветов почвы, таких как зеленый и синий.

Почва 1

Рисунок 1

Относительные размеры песка, ила, глины.

© 2013 Nature Education Все права защищены.

Почва 2

Рисунок 2

Vertisol с высоким содержанием усадочной глины с трещинами, образовавшимися в сухой период.

Фото предоставлено Министерством сельского хозяйства США.

Почва 3

Рисунок 3

Эта почва из Айовы темная из-за высокого содержания органических веществ; в сочетании с высокой в сочетании с высокой доступной для растений водоудерживающей способностью из-за высокой концентрации ила. Почвы с такими характеристиками присутствуют в некоторых частях Соединенных Штатов, России и Южной Америки, что делает их одними из крупнейших зернопроизводящих регионов мира.

Предоставлено Министерством сельского хозяйства США/ Служба охраны природных ресурсов.

Почвы… большие!

Вы можете быть удивлены, услышав, что «грязь (земля, почва)» описывается как «большая». Однако в конце 1800-х годов ученые-почвоведы начали признавать, что почвы — это естественные образования, имеющие размер, форму и историю (рис. 4). Точно так же, как водоем состоит из воды, рыбы, растений и других частей, почвенный массив представляет собой интегрированную систему, содержащую почву, камни, корни, животных и другие части. И точно так же, как и другие тела, почвенные системы выполняют интегрированные функции, количество которых больше, чем сумма их частей.

Почва 4

Рисунок 4

Почвенное тело с контрастными и взаимодействующими почвенными горизонтами.

© 2013 Nature Education Все права защищены.

Обычно в почвах можно различать разные слои, называемые почвенными горизонтами (рис. 5). Эти горизонты взаимодействуют друг с другом, а потому не могут рассматриваться как самостоятельные, хотя могут сильно отличаться друг от друга.

Почвенные горизонты очень сложны и разнообразны, но в целом поверхностные горизонты динамичны и богаты жизнью и органическим веществом. Ниже поверхностных горизонтов часто можно найти более устойчивые горизонты, которые сформировались в результате разнообразных процессов почвообразования, таких как, ярко-белые горизонты, образовавшиеся в результате удаления глины, или темно-красные горизонты с низким плодородием, образовавшиеся в результате миллионов лет выветривания. (Рисунок 6).

Ниже этих горизонтов почвы переходят в слои, лишь частично затронутые почвообразованием, и, в конечном счете, в неизмененные слои исходного (материнского) материала.

Почва 5

Рисунок 5

Почва с Аляски с четкими горизонтами, образовавшимися как в результате процессов почвообразования, так и в результате периодических отложений вулканического пепла.

Предоставлено Министерством сельского хозяйства США.

Почва 6

Рисунок 5

Сильно выветренная почва красного цвета из-за высокого содержания минералов оксида железа.

Предоставлено Министерством сельского хозяйства США.

Боковую протяженность почвы бывает трудно определить, так как соседние почвы могут иметь резкие переходы к постепенным.

Почвенные тела могут быть концептуализированы и нанесены на карту в различных масштабах, например, для отдельного объекта или всего водораздела. Характеристика и оконтуривание почвенных тел составляют основу большинства систем почвенного картирования (рис. 7). 

Почва 7

Рисунок 7. Блок-схема, показывающая распределение почвенных тел по ландшафту.

© 2013 Nature Education Все права защищены.

Почвы – от молодых до очень, очень старых 

 Трудно точно сказать, когда возникли некоторые почвы, но можно сказать, что некоторые из них молодые, а многие очень старые. Самые старые почвы на Земле могут быть в Австралии, где устойчивые формы рельефа позволили некоторым почвам состариться на несколько миллионов лет. Новые почвы рождаются с каждым оползнем, извержением вулкана или отступлением ледника.

Почвы со временем меняются в результате множества биологических, химических и физических процессов. Формируются горизонты, выветриваются минералы и горные породы, выщелачиваются питательные вещества и изменяются растительные сообщества. Почвоведы научились предсказывать текущую стадию этих процессов, если им даются пять ключевых сведений об истории почвы — пять факторов почвообразования — климат, организмы, топография, исходный (материнский) материал и время (Jenny, 1941).

Почвы – разные

 

Разнообразие процессов почвообразования, протекающих на разных почвообразующих породах в различных климатических, топографических и биологических условиях в разные периоды времени, обусловливает огромное разнообразие почв Земли. Почвообразование создает головокружительное множество почвенных горизонтов; вот несколько примеров:

Плинтит — необратимо затвердевает при многократном увлажнении и высыхании (рис. 8а).

Сульфидный — горизонт, содержащий пирит, который при контакте с кислородом может выделять столько серной кислоты, что она губит растения и может вызывать гибель рыб (рис. 8б).

Петрокальциевый — в котором скапливается столько карбоната кальция, что он буквально образует камнеподобный слой в середине почвы (рис. 8с).

Ученые-почвоведы фиксируют это огромное разнообразие с помощью систем классификации почв. В системе США, называемой Таксономия почв (Soil Taxonomy)(soils.usda.gov/technical/

classification/taxonomy/) почвы группируются в 12 широких категорий на самом общем уровне и более 19 000 групп (серий) почв на самом детальном уровне (Ahrens & Arnold 1999). Международный союз почвоведов разработал систему, называемую Всемирной справочной базой, которая включает 32 эталонные группы почв (http://www.fao.org/nr/land/soils/soil/en/).
Почва 8

Рисунок 8

(а) Плинтит в тропических лесах восточной Никарагуа с отчетливыми участками концентрации красного оксида железа. С почвами с плинтитом нужно обращаться осторожно, так как они необратимо твердеют при многократном увлажнении и высыхании. (б) Почва с подповерхностными горизонтами, затемненными черным минералом пирита (FeS2), который окисляется с выделением серной кислоты и железа — железо осаждается в красных слоях. (c) Почва с петрокальциевым горизонтом, в котором выпало столько осадков карбоната кальция, что почвенный горизонт зацементировался.

© 2012 Nature Education (а) Предоставлено R. Vaughn (б) Предоставлено B. Needelman. (c) Предоставлено Министерством сельского хозяйства США/ Служба охраны природных ресурсов. Все права защищены.

Почвы общаются! 

Эти основные горизонты затем могут быть дополнительно аннотированы для предоставления дополнительной информации о горизонте. Сначала горизонты назначаются одному из следующих основных горизонтов, обозначенных одной заглавной буквой:

O - Горизонт, содержащий высокий процент органической материи (вещества) почвы.

А - Горизонт затемнен скоплением органической материи (вещества).

Е – горизонт, образованный в результате выноса (элювиации) глин, органической материи (вещества), железа или алюминия. Обычно светлеет в цвете из-за этих удалений.

B — широкий класс, используемый для подземных горизонтов, которые были существенно преобразованы в процессе почвообразования, например, в результате изменения цвета и структуры; отложения (иллювиации) таких материалов, как глины, органическая материя (вещества), железо, алюминий, карбонаты или гипс; потери карбоната или гипса; хрупкости и высокой плотности; или интенсивного выветривания, ведущего к накоплению устойчивых к выветриванию минералов.

С – минимально затронутый или не затронутый процессами почвообразования горизонт.

R - коренная порода.

Затем эти основные горизонты могут быть дополнительно аннотированы для предоставления дополнительной информации о горизонте. Строчные буквы могут быть помещены в качестве суффиксов после буквы основного горизонта, чтобы дать дополнительную информацию о характеристиках почвы или процессах почвообразования. Например, строчная буква «t» на горизонте B на рис. 9 указывает на то, что горизонт характеризуется накоплением иллювиальной глины.

Можно использовать несколько букв — на рис. 8c изображен горизонт Bkm, означающий, что он сцементирован (m) иллювиальными карбонатами (k). Цифры, расположенные перед названием основного горизонта (например, 2Bt), указывают на разницу в исходном (материнском) материале; числа, помещенные в конце названия горизонта, используются для разделения горизонтов, имеющих одинаковое обозначение, но в чем-то различающихся (например, красный Bt1 над желтым Bt2).
Почва 9

Рисунок 9

Пример почвы с обозначениями, сообщающими о процессах почвообразования, происходящих в каждом горизонте.

© 2013 Nature Education Все права защищены. 

Почва – это биологическое счастье 

 Если вам нравится жизнь, вы полюбите почвы. В почвах обитает множество мелких, средних и крупных организмов, включая млекопитающих, птиц, насекомых и простейших. Но самое большее биоразнообразие принадлежит почвенным микробам — бактериям, грибам и археям (рис. 10).

Чайная ложка богатой почвы может содержать один миллиард бактерий. На самом деле мы очень мало знаем о разнообразии почвенных микробов, отчасти потому, что они очень разнообразны, но также и потому, что нам не удалось культивировать подавляющее большинство этих организмов в лаборатории. Почвенные микробиологи применяют передовые молекулярные методы, чтобы понять разнообразие и функции почвенных микробов. Это захватывающая область исследований, где часто открываются новые биологические таксоны.
Почва 10

Рисунок 10

Арбускулярные микоризные грибы являются одними из наиболее важных почвенных организмов, они образуют симбиотические ассоциации с корнями, что способствует процветанию многих видов растений. Эта спора арбускулярного микоризного гриба Acaulospora scrobiculata была вскрыта, что позволило вылиться липидному содержимому (жидкость в правом нижнем углу). Внешний слой клеточной стенки украшен орнаментом, напоминающим мяч для гольфа.

© 2012 Nature Education Предоставлено J. Wolf. Все права защищены.

Почвы плодородны 

Почвы являются основным поставщиком питательных веществ и воды для большей части растительной жизни на Земле. Существует 18 элементов, которые считаются необходимыми для роста растений, и большинство из них становятся доступными для растений через поглощение корнями из почвы (Brady и Weil 2007). Почвы сохраняют питательные вещества с помощью нескольких механизмов.

Большинство питательных веществ растворяются в почвенной воде в виде положительно или отрицательно заряженных ионов; частицы почвы также заряжены и поэтому способны электрически удерживать эти ионы. Почвы также удерживают питательные вещества, сохраняя саму почвенную воду.

Возможно, самой важной из всех экосистемных услуг, обеспечиваемых почвами, является удержание воды — без почв наша земля была бы лишь каменистой пустыней. Растения используют гораздо больше воды, чем можно подумать, потому что они постоянно выделяют воду в атмосферу в результате транспирации, которая является составной частью процесса фотосинтеза.

Частицы глины и ила являются основными минеральными компонентами почв, которые удерживают воду — эти мелкие частицы замедляют дренаж воды и, подобно губке, физически удерживают воду за счет капиллярных сил. Глина обеспечивает такую мощную силу, что растения не могут вытянуть из нее всю воду, что делает частицы ила основным компонентом доступного растениям запаса воды — они удерживают большое количество воды, но также отдают ее корням растений (рис. 3).

Почвы – это глиняные фабрики

Одной из важнейших функций, выполняемых почвами, является обеспечение идеальных условий для синтеза глины. Глины важны, потому что они часто активны, и это общий термин, который ученые-почвоведы используют для описания того, насколько химически реактивна частица с ионами, водой и другими частицами. Эти реакции имеют решающее значение для предоставления многих экосистемных услуг.

Глины часто являются наиболее активными минеральными частицами, потому что они обладают уникальными химическими характеристиками, а также потому, что у них очень большая площадь поверхности — глины могут иметь площадь поверхности в 10 000 раз больше, чем у песка того же веса (Brady и Weil 2007). Вся эта площадь поверхности делает глину горячей точкой для химических реакций.

Почвы – поставщики услуг

Почвы являются одним из крупнейших поставщиков экосистемных услуг на Земле (Haygarth & Ritz 2009) (рис. 11). Они хранят и обеспечивают растения водой. Они предотвращают наводнения, медленно передавая воду в ручьи и грунтовые воды. Они фильтруют и восстанавливают загрязнения. Они обеспечивают круговорот и перерабатывают питательные вещества и отходы, преобразовывая их в биологически доступные формы, сохраняя их для последующего использования и предотвращая их вымывание в грунтовые и поверхностные воды.

Почвы обеспечивают среду обитания для огромного разнообразия жизни. Они поглощают и выделяют важные газы, в том числе кислород и парниковые газы. Эта услуга называется газовым регулированием. Многие из этих экосистемных услуг теряются из-за деградации и утраты почв. Сохранение, восстановление и оптимизация экосистемных услуг, обеспечиваемых почвами, является одной из важнейших задач человечества в 21 веке.

Почва 11

Рисунок 11

Почвы как поставщики экосистемных услуг.

2013 Перерисовано с разрешения

Почвы деградируют и загрязняются

К сожалению, многие виды деятельности человека приводят к деградации и загрязнению почв, уменьшая экосистемные услуги, обеспечиваемые почвами, и делая некоторые почвы и сточные воды вредными для нашей окружающей среды и здоровья человека.

Эрозия является одной из основных причин деградации почвы, поскольку основной верхний слой почвы теряется со скоростью, намного превышающей скорость ее восстановления (рис. 12а, 12б); этот осадок также является одним из крупнейших загрязнителей водоемов.

Засоление и опустынивание являются основными причинами деградации почвы в засушливых областях. Засоление - это наращивание солей в почвах до такой степени, что они разрушают физические и химические свойства почвы и делают невозможным для растений получение воды из почвы. Засоление часто ассоциируется с неправильным орошением (ирригацией). Опустынивание вызвано комбинацией изменений климата и вызванной человеком деградацией почвы (например, через переплетение).

Почва 12

Рисунок 12

(а) Почва в центральной Айове с темным, богатым органической материей (веществом) верхним слоем почвы. Средняя глубина верхнего слоя почвы в Айове уменьшилась с 35–45 см до 15–20 см в течение 20 века из-за ведения сельского хозяйства. (b) Сильная эрозия оврагов в западной Айове.

Фотографии предоставлены Министерством сельского хозяйства США/ Служба охраны природных ресурсов.

Почвы обладают большой способностью фильтровать и восстанавливать загрязняющие вещества, но применение загрязняющих веществ в почвах часто превышает эту способность. Когда мы вносим в почву избыток питательных веществ, особенно азота и фосфора, мы превращаем эти почвы в источники загрязнения водоемов питательными веществами.

Эти питательные вещества могут вызвать эвтрофикацию — процесс избыточного роста водорослей, который приводит к истощению кислорода. Мы также вносим в почву множество синтетических органических химикатов, металлов и радиоактивных материалов, которые могут нанести ущерб экосистемам и оказать серьезное воздействие на здоровье человека. Очистка почв является одним из основных направлений деятельности почвоведов всего мира.

Почва – это дом

Фраза «быть на родной земле» используется как поэтическое средство, чтобы выразить нашу связь со страной, с домом. Почвы дают нам ощущение места в окружающей среде, ощущение географии.

Наш язык изобилует такими фразами, как «заземленность» и «приземленность». Хотя мы редко задумываемся о роли почв в нашей повседневной жизни, у нас есть внутреннее понимание того, что почвы — это наш дом.

Почвы – это профессия

В то время как многие люди работают с почвами — от фермеров до садовников и строителей — некоторые люди делают карьеру в науке о почве. Почвоведы работают в самых разных областях — освоении космоса, археологии, страховании, обороне, инженерии и да, сельском хозяйстве. Профессиональные общества почвоведов были созданы в странах по всему миру. Американское общество почвоведов является одним из крупнейших (http://www.soils.org).

Многие из этих организаций представлены в Международном союзе почвоведов (http://www.iuss.org). Ученые-почвоведы обучены понимать, как основные понятия химии, биологии и физики действуют в условиях разнообразия почв, и применять эти знания для решения проблем, связанных с поведением почвы и управлением ею. Люди, привлеченные к этой профессии, как правило, питают любовь и уважение к почвам, основанные на оценке их сложности, важности и красоты.

Словарь

активность — общий термин, используемый для описания того, насколько химически реактивна частица с ионами, водой и другими частицами.

глина - частицы минерала размером менее 0,002 мм.

синтез глины - глины образуются в почвах в результате преобразования существующих глин или образования совершенно новых частиц глины из ионов, осаждающихся из раствора.

опустынивание - преобразование незасушливого ландшафта в засушливый, обычно в результате сочетания климатических изменений и антропогенной деградации почвы. 

дерн (почва, земля) - 1. синоним почвенного материала; 2. почва не на своем месте; 3. нечистый материал любого состава. 

элювиация - удаление таких материалов, как глины, органический материал (вещества), железо или алюминий из горизонта. 

эрозия - Поверхностное удаление почвенного материала из почвы под действием воды или ветра.

эвтрофикация – процесс избыточного роста водорослей, приводящий к кислородному истощению; часто вызвано избыточным поступлением питательных веществ. 

факторы почвообразования - факторы, по которым почвоведы могут предсказать конечный результат процессов почвообразования: климат, организмы, топография, исходный материал и время.

газовое регулирование - поглощение и выделение газов, которое опосредует уровни этих газов в атмосфере.

иллювиация - отложение материалов, таких как глины, органическая материя (вещества), железо или алюминий, в горизонт; обычно материалы поступают из верхнего горизонта в толще почвы.

выщелачивание - удаление растворенных ионов из почвы.

естественные образования (тела) - системы, которые формируются в природе с размером, формой и историей, которые действуют интегрированным образом, обеспечивая функции, которые отличаются от суммы их частей.

восстановление - для преобразования химического вещества из токсичной формы или состояния в нетоксичную форму или состояние.

засоление - накопление солей в почве до такой степени, что они разрушают физические и химические свойства почвы, и растения не могут поглощать воду из-за высокой концентрации солей; часто связано с неправильным орошением (ирригацией). 

песок - минеральная частица размером от 0,02 до 2 мм. 

ил - минеральная частица размером от 0,002 до 0,02 мм.

почва - 1. Вещество, состоящее из минералов, живых организмов, органической материи (вещества) почвы, газа и воды. 2. Образование (тело), состоящее из почвы и других частей, таких как камни, корни и животные, которое имеет размер, форму и историю и обеспечивает интегрированные функции, которые больше, чем сумма его частей. 

почвенный горизонт - слой, присутствующий в почвенных телах и отличающийся от других слоев; часто образуются в результате процессов почвообразования. 

органическая материя (вещество) почвы - растительные, животные и микробные остатки в различной степени разложения

структура почвы - Процентное содержание частиц песка, ила и глины в почве. 

качество почвы - способность почвы обеспечивать желаемые экосистемные услуги.

транспирация - испарение воды из отверстий в тканях растений, называемых устьицами; связано с фотосинтезом.

выветривание - физические, химические и биологические процессы, которые разрушают и трансформируют горные породы и минералы.