4.4: Ґрунт та сталий розвиток

Цілі навчання

Прочитавши цей модуль, студенти повинні мати можливість

• визначити ґрунт і прокоментувати його важливість для суспільства
• опишіть, як формуються ґрунтові профілі
• пояснити важливість ґрунтових компонентів для росту рослин та поглинання поживних речовин
• зрозуміти важливість ґрунту для сталості сільського господарства та екологічних процесів

Профілі та процеси ґрунту

Що таке грунт?

Слово «грунт» по-різному визначалося різними науковими дисциплінами. У сільському господарстві та садівництві грунт, як правило, відноситься до середовища для росту рослин, як правило, матеріалу в межах верхнього метра або двох (див.\(\PageIndex{1}\) Рис.

Малюнок Профіль\(\PageIndex{1}\) грунту. На фотографії показано профіль ґрунту з Південної Дакоти з горизонтами A, E та Bt. Жовті стрілки символізують транслокацію тонких глин до горизонту Bt. Шкала знаходиться в футах. Джерело: Університет Айдахо і модифікований Д. Грімлі.

Ми будемо використовувати це визначення в цьому розділі. У загальному вживанні термін ґрунт іноді обмежується лише темним верхнім шаром ґрунту, в який ми висаджуємо насіння чи овочі. У більш широкому визначенні будівельні інженери використовують термін грунт для будь-якого неконсолідованого (м'якого, коли вологого) матеріалу, який не вважається основою. За цим визначенням грунт може бути товщиною в кілька сотень футів! Стародавні грунти, іноді поховані і збереглися в надрах, іменуються палеозолами (див. Рис.\(\PageIndex{2}\)) і відображають минулі кліматичні та екологічні умови.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Сучасні проти похованих ґрунтових профілів. Заглиблений ґрунтовий профіль, або палеозол (над головою геолога), являє собою розвиток ґрунту протягом останнього міжльодовикового періоду. Сучасний ґрунтовий профіль (Альфізол) зустрічається поблизу поверхні землі. Джерело: Д. Грімлі.

З дещо філософської точки зору ґрунт можна розглядати як інтерфейс між атмосферою та земною корою, а іноді його називають шкірою землі. Ґрунт також включає в себе аспекти біосфери та гідросфери. З фізичної точки зору ґрунт містить тверду, рідку та газоподібну фази. Тверда частина грунту складається переважно з мінеральної речовини, але також містить органіку (гумус) і живі організми. Порові простори між мінеральними зернами заповнені різною пропорцією води і повітря.

Важливість ґрунту

Грунт важливий для нашого суспільства, оскільки він забезпечує основу для більшості критичних аспектів цивілізації. Наші будівельні конструкції та будинки, продукти харчування, сільськогосподарська продукція та вироби з деревини покладаються на ґрунт. Ліси, прерії та водно-болотні угіддя залежать від ґрунту. Звичайно, грунт також є критичним компонентом для наземного життя на землі, включаючи більшість тварин, рослин та багатьох мікроорганізмів.

Грунт відіграє певну роль майже у всіх природних циклах на земній поверхні. Глобальний циклічний цикл ключових поживних речовин, таких як вуглець (C), азот (N), сірка (S) та фосфор (P), проходять через ґрунт. У гідрологічному циклі грунт допомагає опосередковувати потік опадів з поверхні суші в грунтові води або може контролювати зливовий стік в озера, струмки, затоки та океани. Грунтові мікроорганізми або мікрофлора можуть допомогти змінити або знищити забруднювачі навколишнього середовища.

Грунтоутворюючі фактори

Фундаментальні фактори, що впливають на ґрунтовий генез, можна розділити на п'ять елементів: клімат, організми, рельєф, материнський матеріал та час. Можна сказати, що рельєф ландшафту, клімат та організми диктують місцеве ґрунтове середовище та діють разом, щоб спричинити вивітрювання та змішування основного матеріалу ґрунту з часом. Ґрунтоутворюючі фактори взаємопов'язані та взаємозалежні, але розглянуті самостійно вони забезпечують корисну основу для обговорення та категоризації.

Оскільки грунт формується, вона часто має чіткі шари, які формально описуються як «горизонти». Верхні горизонти (позначені як горизонти A і O) багатші органічним матеріалом і тому важливі для росту рослин, тоді як більш глибокі шари (такі як горизонти B і C) зберігають більше оригінальних особливостей основи нижче.

Клімат

Роль клімату в розвитку ґрунту включає аспекти температури та опадів. Грунти в дуже холодних районах з умовами вічної мерзлоти (гелізолі) мають тенденцію бути неглибокими і слабо розвинені через короткий вегетаційний період. Органічні багаті поверхневі горизонти поширені в низинних районах через обмежене хімічне розкладання. У теплих тропічних ґрунтах (Ultisols, Oxisols), за інших рівних факторів, ґрунти, як правило, товщі, з великим вилуговуванням та мінеральною зміною. У такому кліматі розкладання органічних речовин і хімічне вивітрювання відбуваються з прискореною швидкістю.

Організми

Тварини, рослини та мікроорганізми відіграють важливу роль у процесах розвитку ґрунту, у забезпеченні постачання органічної речовини та/або в циклічному циклі поживних речовин. Черви, нематоди, терміти, мурахи, ховрахи, кроти, раки тощо - все це спричиняє значне змішування ґрунту та допомагає змішати ґрунт, аерацію та полегшити ґрунт, створюючи пористість, і з часом створюють характерну природну структуру ґрунту. Тваринний світ, такий як комахи та ссавці, може спричинити нерівності ґрунтових горизонтів.

Життя рослин забезпечує багато органічних речовин у ґрунт і допомагає переробляти поживні речовини з поглинанням корінням у надрах. Тип життя рослин, який відбувається в певній місцевості, наприклад, види дерев або трав, залежить від клімату, поряд з батьківським матеріалом та типом ґрунту. Тож серед ґрунтоутворюючих факторів є явні відгуки. З щорічним скиданням листя та хвої дерева, як правило, додають органічну речовину на поверхні ґрунту, допомагаючи з часом створити тонкий, багатий органікою горизонт A або O. Трави, навпаки, мають значну кореневу масу, крім поверхневого органічного матеріалу, який щоосені виділяється в грунт для однорічних та недовговічних багаторічників. З цієї причини ґрунти на пасовищах (Mollisols) мають набагато товщі горизонти А з більшим вмістом органічних речовин і є більш продуктивними в сільському господарстві, ніж лісові ґрунти. Трави виділяють органічну речовину на ґрунти, які багатші катіонами основи, тоді як листова та голкова підстилка призводять до виділення кислот у ґрунт.

Мікроорганізми допомагають у окисленні органічних залишків та виробництві гумусового матеріалу. Вони також відіграють певну роль у циклах окислення-відновлення заліза, дрібнозернистому розчиненні мінералів (забезпечення поживними речовинами ґрунтових розчинів) та мінеральному неоутворенні. Нові дослідження постійно розширюють наші знання про роль мікроорганізмів у рості рослин, циклічності поживних речовин та мінеральних перетвореннях.

Рельєф (топографія та дренаж)

Місцевий ландшафт може надавати напрочуд сильний вплив на грунти, що утворюються на ділянці. Місцевий рельєф може мати важливі мікрокліматичні ефекти, а також впливати на швидкість ерозії ґрунту. Порівняно з рівнинними регіонами, райони з крутими схилами загалом мають більшу ерозію ґрунту, більший стік дощової води та меншу інфільтрацію води, що призводить до більш обмеженого розвитку ґрунту в дуже горбистих або гірських районах. У північній півкулі схили, що виходять на південь, піддаються більш прямим кутам сонячного світла і, таким чином, тепліші та суші, ніж схили, що виходять на північ. Більш прохолодні, вологі схили, що виходять на північ, мають більш динамічне рослинне співтовариство через меншу випаровування і, отже, відчувають меншу ерозію через вкорінення рослин ґрунту та мають більш густий розвиток ґрунту.

Дренаж ґрунту впливає на окислювально-відновні стани заліза, накопичення та збереження органічної речовини та місцеві типи рослинності. Добре дреновані ґрунти, як правило, на пагорбах або бічних схилах, більш коричневі або червонуваті через перетворення двовалентного заліза (Fe ²⁺) в мінерали з залізом (Fe ³⁺). Більш погано дреновані ґрунти, на низовині, алювіальних рівнинних або гірських поглибленнях, як правило, більш сіруваті, зеленувато-сірі (глеїдні) або темні, через відновлення заліза (до Fe ²⁺) та накопичення та збереження органічної речовини в районах, що мають тенденцію до аноксичних. Райони з поганим дренажем також, як правило, є низинами, в які ґрунтовий матеріал може вимиватися та накопичуватися з навколишніх височин, що часто призводить до надмірного потовщення горизонтів А або О. На відміну від цього, круто похилі райони у високогір'ї можуть відчувати ерозію та мати більш тонкі поверхневі горизонти.

Батьківський матеріал

Вихідним матеріалом ґрунту є матеріал, з якого ґрунт розвинувся, будь то річкові піски, озерні глини, вітряні леси, берегові відкладення, льодовикові відкладення або різні типи корінних порід. У молодіжних грунтах материнський матеріал має чіткий зв'язок з типом грунту і має значний вплив. З часом, коли процеси вивітрювання поглиблюються, змішуються та змінюють ґрунт, вихідний матеріал стає менш впізнаваним, оскільки хімічні, фізичні та біологічні процеси вступають в силу. Тип вихідного матеріалу також може вплинути на швидкість розвитку грунту. Батьківські матеріали, які мають високу атмосферостійкість (наприклад, вулканічний попіл) швидше трансформуються на високорозвинені ґрунти, тоді як, наприклад, батьківські матеріали, багаті кварцом, займуть більше часу. Батьківські матеріали також забезпечують рослини поживними речовинами і можуть впливати на внутрішній дренаж ґрунту (наприклад, глина є більш непроникною, ніж пісок, і перешкоджає дренажу).

Час

Загалом, ґрунтові профілі, як правило, стають товстішими (глибшими), більш розвиненими та змінюються з часом. Однак швидкість зміни більша для грунтів на юнацьких стадіях розвитку. Ступінь зміни ґрунту та поглиблення сповільнюється з часом і в якийсь момент, через десятки або сотні тисяч років, може наблизитися до стану рівноваги, коли ерозія та поглиблення (абсорбція та додавання) стають збалансованими. Молоді ґрунти (віком до 10 000 років) знаходяться під сильним впливом батьківського матеріалу і зазвичай швидко розвивають горизонти та характер. Грунти помірного віку (приблизно від 10 000 до 500 000 років) сповільнюються в розвитку профілю та поглибленні, і можуть почати наближатися до рівноважних умов. Старі ґрунти (віком > 500 000 років), як правило, досягли своєї межі щодо горизонтальності та фізичної структури ґрунту, але можуть продовжувати змінюватися хімічно або мінералогічно.

Щоб бути впевненим, розвиток ґрунту не завжди є постійним. Геологічні події можуть швидко заглиблювати ґрунти (зсуви, просування льодовиків, переступ озера), можуть спричинити видалення або усічення ґрунтів (річок, берегових ліній) або викликати відновлення ґрунту з додаванням повільно відкладеного осаду, що додають в грунт (вітрові або заплавні відкладення). Біологічне змішування іноді може спричинити регресію ґрунту, розворот або удар на дорозі для нормального шляху збільшення розвитку з часом.

Еколого-соціальні аспекти ґрунту

Будучи середовищем для росту місцевих рослин, сільського господарства, будівництва будівель, утилізації відходів та шляху проникнення підземних вод, ґрунт відіграє важливу роль для багатьох ключових видів діяльності нашого суспільства. Грунтознавці, агрономи, лісники, біологи рослин, планувальники землекористування, інженери, археологи та геологи, серед іншого, розглядають тип ґрунту (склад, текстуру, структуру, щільність тощо) у багатьох аспектах своїх досліджень чи робіт. Нижче наведено кілька прикладів важливості ґрунтів у природному зростанні рослин, у сільському господарстві та суміжних соціальних питаннях. Довгострокова стійкість ґрунту є життєво важливою як для екології людини, навіть у сучасному суспільстві, так і для екології нашого природного середовища.

Грунтово-рослинні відносини: природні процеси

Грунт відіграє ключову роль у зростанні рослин. Корисні аспекти рослин включають забезпечення фізичної підтримки, тепла, води, поживних речовин та кисню. Тепло, світло і кисень також отримують атмосфера, але коріння багатьох рослин також потребують кисню. Елементарні поживні речовини, розчинені в грунтовому водному розчині, отримують з ґрунтових мінералів і органічного матеріалу (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)).

Малюнок ілюструє поглинання поживних речовин рослинами в «лісовій» ґрунтовій екосистемі. Джерело: Геологічна служба США.

Рослини в основному отримують поживні речовини з розчинених грунтових розчинів. Хоча багато аспектів ґрунту корисні для рослин, надмірно високий рівень мікрометалів (або природних, або антропогенно доданих) або застосованих гербіцидів може бути токсичним для деяких рослин.

Співвідношення твердих тіл/вода/повітря в ґрунті також є критично важливим для рослин для належного рівня оксигенації та доступності води. Занадто велика пористість повітряного простору, наприклад, в піщаних або гравійних грунтах, може призвести до менш доступної води для рослин, особливо в посушливі сезони, коли рівень води низький. Занадто велика кількість води в погано дренованих регіонах може призвести до аноксичних умов у ґрунті, які можуть бути токсичними для деяких рослин. Гідрофітна рослинність може справлятися з аноксичними умовами і, таким чином, підходить для погано дренованих ґрунтів у водно-болотних районах.

Засвоєння поживних речовин рослинами

Кілька елементів, отриманих з грунту, вважаються необхідними для росту рослин. Макроелементи, в тому числі C, H, O, N, P, K, Ca, Mg і S, необхідні рослинам в значних кількостях. C, H і O в основному отримують з атмосфери або з дощової води. Ці три елементи є основними компонентами більшості органічних сполук, таких як білки, ліпіди, вуглеводи та нуклеїнові кислоти. Кисень, як правило, служить акцептором електронів і необхідний корінням багатьох рослин. Інші шість елементів (N, P, K, Ca, Mg і S) отримують корінням рослин з ґрунту і по-різному використовуються для синтезу білка, синтезу хлорофілу, передачі енергії, поділу клітин, ферментних реакцій та осмотичної або іонної регуляції.

Мікроелементи є необхідними елементами, які потрібні лише в невеликих кількостях, але все ще можуть обмежувати ріст рослин, оскільки ці поживні речовини не такі рясні в природі. Мікроелементи включають залізо (Fe), марганець (Mn), бор (B), молібден (Mo), хлор (Cl), цинк (Zn) та мідь (Cu). Є деякі інші елементи, які, як правило, сприяють зростанню рослин, але не є абсолютно важливими.

Мікроелементи та макроелементи бажані в певних концентраціях і можуть бути згубними для росту рослин, коли концентрації в ґрунтовому розчині або занадто низькі (граничні), або занадто високі (токсичність). Елементарні поживні речовини корисні рослинам лише в тому випадку, якщо вони знаходяться в екстракційній формі в ґрунтових розчинях, таких як обмінний катіон, а не в твердому мінеральному зерні. Оскільки поживні речовини використовуються в мікросередовищі, що оточує коріння рослини, поповнення поживних речовин у ґрунтовому розчині залежить від трьох аспектів: (а) швидкість розчинення/зміни ґрунтових мінералів на елементарні складові, (б) швидкість вивільнення органічно пов'язаних поживних речовин та (c) швидкість дифузія поживних речовин через ґрунтовий розчин в область поглинання коренів.

Багато поживних речовин переміщаються через ґрунт і в кореневу систему в результаті градієнтів концентрації, переміщаючись шляхом дифузії від високих до низьких концентрацій. Однак деякі поживні речовини вибірково поглинаються кореневими мембранами, так що елементні концентрації розчинів всередині рослин можуть відрізнятися від концентрації в ґрунтових розчині. Більшість поживних речовин існують у вигляді обмінних катіонів, які купуються корінням з ґрунтового розчину, а не з мінеральних поверхонь або частинок. Неорганічні хімічні процеси та органічні процеси, такі як дія ґрунтових мікроорганізмів, можуть допомогти вивільнити елементарні поживні речовини з мінеральних зерен у ґрунтове середовище.

Здоров'я ґрунту та вплив на сільське господарство: ґрунт як стійкий ресурс

Здоров'я та сталий розвиток ґрунту

Загальний стан ґрунту, як правило, можна визначити як здатність ґрунту функціонувати таким чином, щоб проникати воду та циклічно циркулювати поживні речовини для підтримки росту рослин. Довгострокове здоров'я рідного ґрунту у багатьох випадках покращується, менше порушуючи ґрунт, вирощуючи більшу різноманітність культур, підтримуючи живі коріння у ґрунті та зберігаючи ґрунт, покритий залишками. Стабільні ґрунтові агрегати важливі для здоров'я ґрунту, оскільки вони сприяють належній інфільтрації і, таким чином, обмежують кількість стоку води - це має додаткову перевагу зменшення ерозії ґрунту та затоплення та осідання.

Управління ґрунтом на фермах може включати використання обробітку ґрунту, добрив, пестицидів та інших інструментів, які можуть покращити стан ґрунту при правильному використанні; однак значна шкода ґрунту може призвести до іншого. Обробіток ґрунту плугом або диском може бути фізично руйнівним для ґрунтової фауни і мікробів. Складні відносини між ґрунтом та рослинним життям, які перетворилися на стійкі відносини в природному світі, можуть бути порушені хімічно неправильним використанням або надмірним використанням добрив або пестицидів. Таким чином, для підтримки здоров'я ґрунту потрібно розуміти хімічні, біологічні та фізичні процеси, які діють у природному ґрунтовому профілі. Наскільки це можливо, ми повинні працювати зі складністю процесів, які функціонують у здоровому ґрунті, і обмежувати наші порушення лише тими, які є чіткою, практичною необхідністю. Біорізноманіття є ще одним важливим аспектом, який слід враховувати, оскільки збільшення біорізноманіття рослин, які вирощуються у ґрунті, може обмежити проблеми з хворобами та шкідниками та дозволити краще функціонувати харчову павутину. Більша різноманітність рослин над землею призводить до більшої різноманітності в підземній харчовій павутині. Отже, збільшення різноманітності відповідних сівозмін на сільськогосподарських угіддях може в кінцевому підсумку призвести до поліпшення стану ґрунту та обмеження проблем у довгостроковій перспективі.

Сільське господарство та продовольча потужність

Ґрунти на орних землах у всьому світі є ресурсом для суспільства з потенційним використанням для виробництва продуктів харчування. Виробництво в кінцевому підсумку обмежується типом ґрунту, кліматом, гідрологією та землеустроєм. Рідний тип ґрунту - це те, що було забезпечено землею, починаючи з століть чи тисячоліть розвитку ґрунту, як правило, в основному в природних умовах за місцевої рослинної рослинності. Ефект людських популяцій, можливо, полягав у осушенні землі для вирощування (впливаючи на гідрологію), модифікації ландшафту, побудові споруд та видаленні місцевої рослинності. Деякі модифікації допомогли при виробництві продуктів харчування. Інші мали ненавмисні наслідки деградації земель, такі як засолення, ерозія верхнього шару ґрунту, ущільнення, забруднення, опустелювання або виснаження поживних речовин ґрунту.

Деякі з цих питань викликають серйозне занепокоєння в країнах, що розвиваються, де нагляд та правила, що захищають землю, можуть бути відсутні. Наприклад, надмірний випас та швидке вирубка лісів земель, а також, як правило, погане управління земельними ресурсами можуть знизити вміст органічних речовин у поверхневих ґрунтах, тим самим знижуючи родючість та збільшуючи ймовірність ерозії верхнього шару ґрунту через видалення захисного вегетативного покриття. Оскільки населення світу продовжує збільшуватися, нам потрібно буде знаходити способи постійного збільшення (або більш ефективного використання) виробничих потужностей продовольства з фактично фіксованої кількості орних земель у всьому світі. Зі збільшенням щільності населення врожайність сільськогосподарських культур та кількість акрів у виробництві постійно зростають, з технологічним прогресом та більшою кількістю земель у сільському господарстві. Це не є стійкою тенденцією, однак, оскільки площа суші на землі є кінцевою. Насправді деякі основні сільськогосподарські угіддя навіть видаляються з виробництва в розвинених країнах, оскільки урбанізація та освоєння земель відбуваються на постійно зростаючих краях населених пунктів. Потрібно буде докласти зусиль, щоб зберегти достатньо високоврожайні сільськогосподарські угіддя, щоб бути стійкими для майбутніх поколінь.

Ущільнення ґрунту, обробіток ґрунту та сталий досвід

У сучасній сільськогосподарській практиці важка техніка використовується для підготовки посівного ложа, до посадки, боротьби з бур'янами, збору врожаю. Використання важкої техніки має багато переваг у економії часу та праці, але може спричинити ущільнення ґрунту та порушення природної ґрунтової біоти. Значне ущільнення є оборотним, а деякі з них неминучі в сучасних практиках; однак серйозні проблеми з ущільненням можуть виникнути при надмірному проходженні обладнання в часи, коли ґрунт має високий вміст води. Проблема ущільнення ґрунту полягає в тому, що підвищена щільність ґрунту обмежує глибину проникнення коренів і може перешкоджати правильному росту рослин.

Сучасні практики, як правило, заохочують мінімальний обробіток ґрунту або відсутність обробки грунту, щоб зменшити кількість поїздок по полю. При правильному плануванні це може одночасно обмежити ущільнення, захистити ґрунтову біоту, скоротити витрати (якщо вони виконані правильно), сприяти проникненню води та сприяти запобіганню ерозії верхнього шару грунту (див. Нижче). Обробка ґрунту полів допомагає розщеплювати грудки, які раніше були ущільнені, тому передовий досвід може відрізнятися на ділянках з різною текстурою та складом ґрунту. Сівозміна також може сприяти зниженню насипної щільності при посадці культур з різною глибиною заглиблення коренів. Іншим аспектом обробітку ґрунту є те, що це може призвести до більш швидкого розкладання органічних речовин через більшу аерацію ґрунту. На великих площах сільськогосподарських угідь це має ненавмисний наслідок викиду більшої кількості оксидів вуглецю та азоту (парникових газів) в атмосферу, тим самим сприяючи впливу глобального потепління. У сільському господарстві, що не дотягує, вуглець може фактично потрапляти в грунт. Таким чином, сільське господарство no-till може бути вигідним для питань сталого розвитку в локальному масштабі та в глобальному масштабі.

Ерозія ґрунту

Прискорена ерозія верхнього шару ґрунту через людську діяльність та погане управління сільськогосподарськими землями є потенційно серйозною проблемою. До найбільш вразливих до ерозії ґрунтів районів належать місця з тонкими органічними (А і О) горизонтами і горбистими місцевостями (див.\(\PageIndex{4}\) Рис.

Малюнок показує глобальну карту вразливості ерозії ґрунту та включає фотографію водної та вітрової ерозії. Джерело: Міністерство сільського господарства США, Національна служба збереження ресурсів, Родні Бертон через Wikimedia Commons та Джим Бейн через Wikimedia Commons.

Деяка кількість ерозії ґрунту є природним процесом вздовж похилих ділянок та/або на ділянках з м'якими або незв'язними матеріалами, схильними до руху водою, вітром або гравітацією. Наприклад, ґрунтовий матеріал може бути мобілізований під час сильних вітрів, вздовж берегів річок, під час зсувів або хвильовим впливом вздовж берегової лінії. Однак більшість ерозії верхнього шару ґрунту є наслідком процесів під впливом води, таких як у річках, струмках, ярах, малих ярах та сухопутних потоках або змиванні листів від зливового стоку. Хоча деяка ерозія ґрунту є природною, антропогенні (індуковані людиною) процеси значно прискорили швидкість ерозії у багатьох районах. Будівництво та сільське господарство є двома найбільш значущими видами діяльності в нашому сучасному суспільстві, які мають підвищені темпи ерозії. В обох випадках ерозія верхнього шару ґрунту може бути значною, якщо використовуються погані практики землеустрою або якщо територія є геологічно чутливою. Наприклад, у 1930-х роках посушливі умови та погані методи землеустрою (відсутність покривних культур та сівозміни) об'єдналися, що призвели до сильної вітрової ерозії та пилових бурь у Великих рівнин США, які стали відомими як Пилова чаша. Глибока оранка ґрунту та зміщення оригінальних прерійних трав (які колись утримували ґрунт разом) також сприяли кризі. Після того, як природний верхній шар ґрунту розмивається вітром або водою, він лише повільно відновлюється до колишнього попередньо ерозійного стану. Для відновлення ґрунту до відносно природного (попередньо порушеного) стану з первісними фізичними, хімічними та біологічними характеристиками може знадобитися від декількох десятиліть до сотень років до тисячоліть, під пересадженою місцевою рослинністю. Крім того, коли ґрунт розмивається, частинки осідають нижче за течією у струмках, річках, озерах та водосховищах. При швидкому відкладенні це осідання може погіршити якість води з осадом і сільськогосподарськими хімікатами. Кращі практики землеустрою, такі як більш обмежена практика обробітку ґрунту або заборона, можуть допомогти значно обмежити ерозію ґрунту до швидкості, яка є стійкою в довгостроковій перспективі. Практики сьогодні дещо покращилися в цілому, але потрібно більше вдосконалення сільськогосподарської практики на великих площах сільськогосподарських угідь у США та інших країнах, щоб вивести нас на шлях до довгострокової стійкості сільськогосподарських угідь.

Вирубка лісів внаслідок лісозаготівлі, будівництва або збільшення пожеж також може спричинити значне збільшення ерозії ґрунтів у багатьох районах світу і може бути особливою проблемою в країнах, що розвиваються. Видалення природного покриву рослинності посилює ерозію, оскільки листя рослин має тенденцію буферувати інтенсивність опадів, а коріння утримують ґрунт разом та запобігають розпаду та ерозії. Крім того, розкладається рослинний матеріал забезпечує захисне покриття органічного матеріалу на поверхні ґрунту. Вододіли з великими площами будівництва або вирубки лісів можуть відчувати в кілька разів більшу швидкість природної ерозії. У таких вододілах потоки можуть засмічуватися небажаним осадом, який порушує природну екосистему та заповнює цінні водно-болотні ділянки, крім проблеми втрати цінного верхнього шару ґрунту з нагірних районів.

Стік добрив, екологічні ефекти та мертві зони

Поживні речовини в ґрунті та воді, як правило, корисні, коли вони існують на природному рівні. Азотні добрива вносяться на сільськогосподарські поля десятиліттями з метою максимального виробництва сільськогосподарських угідь. Однак ненавмисним наслідком є те, що ті ж поживні речовини можуть завдати шкоди водним екосистемам при надмірному введенні для сільськогосподарських чи інших цілей. Азот (N) і фосфор (P) вносять добрива, які інтенсивно використовуються в сільському господарстві, а також на поля для гольфу і деякі газони і сади. Відходи сільськогосподарських тварин та стічні води також забезпечують велику кількість реактивного N і P. Фосфор раніше широко використовувався як добавка в пральні та миючі засоби для посуду, але з 1970-х років він був поетапно припинений як через поєднання державних та федеральних правил. Загалом, наше сучасне суспільство змінило глобальні цикли N і P таким чином, що існує надлишок у багатьох умовах.

Хоча атмосферного азоту багато, газ не реактивний і не використовується більшістю рослин. Реактивний азот, в нітратних і аміачних добривах, з певною швидкістю утилізується рослинами. Однак надлишкові поживні речовини (не використовуються) часто вимиваються у дренажні шляхи, струмки та річки під час опадів та штормів. Високі рівні N та P у поверхневих стіках води мають ефект різкого збільшення росту водоростей нижче за течією через евтрофічні умови. Цвітіння водоростей має небажаний ефект сильного зменшення розчиненого кисню, який необхідний для виживання риб та інших водних мешканців. Посилений ріст водоростей може таким чином порушити нормальне функціонування екосистеми і спричинити те, що відомі як «мертві зони» (див. Рисунок\(\PageIndex{5}\)). Води можуть локально помутніти і пофарбовані в відтінок зеленого, коричневого або червоного кольору. Евтрофікація може відбуватися природним шляхом, але вона була значно посилена завдяки використанню добрив. В результаті евтрофікації багато прибережних вод містять все більш проблемні мертві зони, де великі річки скидають багатий поживними речовинами сільськогосподарський стік або погано очищені стічні води та стічні води (наприклад, Мексиканська затока, Чесапікська затока, Балтійське море, Східно-Китайське море) (див. Рисунок\(\PageIndex{5}\)). Це питання має велике значення, оскільки мертві зони знаходяться поблизу населених берегових ліній з комерційно та екологічно життєво важливими водними тваринами.

Малюнок\(\PageIndex{5}\) Водні мертві зони. Червоні кола показують розміри багатьох мертвих (гіпоксійних) зон нашої планети, тоді як прості чорні точки - мертві зони невідомого розміру. Темно-сині кольори показують високі концентрації твердих частинок органічної речовини, що свідчить про надмірно родючі води (високий вміст N та P). Більшість мертвих зон відбувається в низхідній частині сільськогосподарських територій (з надмірним використанням добрив) або районах з високою щільністю населення з погано очищеними стічними водами. Джерело: Обсерваторія Землі НАСА через Вікісховище та Ламіот через Wikimedia Commons.

Однією з найбільш горезвісних мертвих зон (друга за Балтійським морем) є область площею 8,500 квадратних миль в Мексиканській затоці (див. Рисунок\(\PageIndex{5}\)). Річка Міссісіпі скидає стоки з високим вмістом поживних речовин зі свого дренажного басейну, який включає великі сільськогосподарські угіддя на американському Середньому Заході. Збільшення зростання водоростей, вироблених цими поживними речовинами, вплинуло на важливі місця для риболовлі креветок у затоці. Основним джерелом поживних речовин є сильно осушені плиткою райони сільськогосподарських угідь на Середньому Заході кукурудзи та сої (SW Міннесота, штат Айова, NE Illinois, N Indiana та NW Ohio). Удосконалені системи дренажу ґрунту протягом минулого століття або більше дозволили ефективно транспортувати нітратні сполуки у вигляді зливових стоків у дренажні басейни (річка Огайо, річка Вабаш, річка Іллінойс, Річка Міссурі тощо), які живляться в річку Міссісіпі. Іншими словами, ті ж дренажні плитки, які дозволяють для сільськогосподарської вигоди мати багаті придонні/водно-болотні ґрунти у виробництві, мають недолік у збільшенні та швидшому переміщенні розчинених нітратів до Мексиканської затоки. Такі масштабні проблеми, через державні урядові кордони, можуть бути повністю вирішені лише в майбутньому за допомогою національної системи стимулів, нормативних актів або законів.

Окрім добрив, введення азоту у вододіли також може включати атмосферне осадження, відходи худоби та стічні води, але азотні добрива складають значну більшість вхідних даних у контрольовані потоки, особливо навесні, коли вноситься багато добрив. Можливі варіанти вирішення цієї проблеми включають заохочення фермерів до внесення більш обмеженої кількості добрив навесні (лише стільки, скільки необхідно), а не восени, щоб забезпечити значно менший час стоку зливових або талих вод. Інші рішення включають збереження покривних культур або відновлення водно-болотних угідь у ключових місцях для стримування втрат нітратів. Загальна стратегія, яка обмежує надлишкову потужність поживних речовин, може одночасно принести користь фермерам (за рахунок обмеження витрат), екології вододілів потоків та прибережних екосистем (також локально підкреслених розливами нафти та іншими забрудненнями). У довгостроковій перспективі потрібно буде докласти більше зусиль у басейні річки Міссісіпі та в усьому світі в аналогічно напружених сільськогосподарських або міських вододілах (див. Рисунок\(\PageIndex{5}\)), щоб покращити здоров'я та стійкість наших ґрунтів, земель та водних екосистем.

Переглянути питання

1. Яке значення ґрунту для нашого суспільства сьогодні?
2. Як діяльність людини змінила фізичний, хімічний або біологічний характер рідного ґрунту?
3. Які практики можуть бути використані для підвищення довгострокової стійкості здоров'я ґрунтів?