1.23: Грунти

Якби люди мали довше життя і більшу перспективу, більше б оцінили, що ґрунти (рис. 1) є живими істотами і що вони демонструють багато властивостей, які ми асоціюємо з організмами. Вони є динамічними сутностями, які розвиваються через час впорядковано та передбачувано і характеризуються низкою процесів, які включають перетворення речовини та енергії. Однак вони не мають кордонів у просторі чи часі, і, оскільки вони не дискретні, вони не відтворюються. В екологічному сенсі це спільноти, що володіють різноманітними живими компонентами, які колективно, у поєднанні з фізичними процесами, виконують різноманітні функції. Спостерігачі часто вважають ґрунти абіотичним середовищем, в якому ростуть організми, але дії організмів в грунті часто настільки переплітаються з фізичними процесами, що відбуваються там, що безглуздо намагатися їх відокремити, крім визнання того, що відносна важливість діяльності організмів у ґрунті проти фізичних процесів сильно різниться між різними типами ґрунтів.

Фіг г. 1 Антіго, державний грунт Вісконсін. Зверніть увагу на шаруватість (за кольором, інші особливості, крім кольору, також шаруються). Нашарування є наслідком біотичних і абіотичних процесів.

Хоча більшість вважає ґрунти скупченням сміття (тобто «бруду»), ґрунти краще зрозумілі, якщо розглядати як складові з чотирьох основних елементів, які описували греки та інші культури: земля, повітря, вода та вогонь. Земля - це твердий матеріал, отриманий як з неорганічних джерел, в кінцевому рахунку гірських порід, так і з органічних джерел, шматочків матеріалу, що походять від живих істот. Вода пронизує грунт, оскільки її адгезійні властивості гарантують, що вона прилипає до всіх частинок. Залежно від кількості води повітря в більшій чи меншій мірі пронизує грунт. І нарешті, вогонь ґрунту - це живі істоти, в основному невеликі і сильно переважають гриби та бактерії, але також включають різноманітні безхребетні, протисти, випадкові хребетні та динамічну популяцію коренів рослин. Всі чотири з цих компонентів критично важливі для рослин: твердий матеріал є кінцевим джерелом більшості поживних речовин і забезпечує поверхні, де відбуваються значні події; вода потрібна всім рослинам, а також є середовищем, з якого вони отримують поживні речовини; повітря забезпечує кисень, який рослини і багато інші живі істоти в грунті вимагають; живі істоти в грунті здійснюють різноманітні процеси, значні для рослин, зокрема, деградацію великих молекул на одиниці, які можуть розчинятися в розчині і бути доступними рослинам. Кожен з цих чотирьох компонентів, земля, вода, повітря і вогонь, взаємодіє з іншими: живі істоти змінюють газовий склад, газовий склад впливає на живі істоти; вода рухається і організовує тверду фазу; тверда фаза контролює вміст води; тверді компоненти змінюють хімію води; змінює хімія води може додавати або віднімати дотвердої фази. Грунти - це мережа взаємодій, і хоча компоненти можуть бути перераховані, ціле набагато більше, ніж сума шматків, а функції ґрунту важко віднести до конкретних компонентів.

D бруду - справи, динамічні, різноманітні

Біологи (і небіологи!) слід усвідомлювати три ключові аспекти ґрунтів: що вони роблять — їхні справи; як вони динамічні та різноманітні.

ТЕМИ

• Діяння ґрунту — що можуть зробити ґрунти
• Динаміка ґрунту — як і чому змінюються ґрунти
• різноманітність грунтів

вчинки

Що роблять грунти? Набагато більше, ніж ми можемо перерахувати тут, але деякі з найважливіших для організмів, популяцій та громад: утримання води, утримання поживних речовин та зміна хімії води в ґрунті.

Ґрунти утримують воду, як правило, дуже значну кількість води, і це значно розширює можливості для життя поза океанами, озерами та річками. Хоча деякі живі істоти існують у районах, де немає ґрунту (тобто на голій скелі), їх діяльність сильно модулюється наявністю води, а вода доступна лише тоді, коли йде дощ і протягом короткого періоду після цього. Якщо дощ не частий, активність живих істот обмежена, оскільки організмам потрібна вода, а коли вона недоступна, вони повинні закритися, стаючи неактивними і тим самим здатними переносити сухі умови. Навпаки, ґрунт утримує та зберігає воду, значно продовжуючи час, коли вода доступна живим істотам, і робить можливим величезну різноманітність способу життя та організмів, яких не було б інакше. Оскільки ґрунт може поглинати та зберігати воду, ґрунт помірний імпульси води, що тече по суші, коли випадають опади, зменшуючи ерозію та затоплення, які відбуватимуться без мантії ґрунту. Цей факт дуже очевидний, якщо хтось знаходиться на великій асфальтованій стоянці, коли падає дощ, або на ділянці землі після того, як грунт був заповнений до ємності і більше не може поглинати воду, або в ситуації, коли дощ падає швидше, ніж ґрунти можуть поглинати.

На кількість води, що утримується грунтом, дуже впливає розмір частинок, що входять до складу грунту. Термін, який описує розміри частинок у грунті, - це текстура. Більшість ґрунтів складаються з частинок різних розмірів, але грунти, що складаються в основному з дуже дрібних частинок, називаються глинистими грунтами, а грунти, складені переважно з більших частинок, називаються піщаними грунтами. Є дві основні причини, чому текстура впливає на кількість води, що утримується ґрунтом. Перший очевидний, але часто не такий значний: текстура впливає на простір пір: загальний об'єм між твердими частинками, де може перебувати вода. Очевидно, що ґрунт з більшим простором пір має більший обсяг, доступний для води. Дивно, але загальний пористий простір різних фактурних грунтів не все так відрізняється: піщані ґрунти мають приблизно такий же загальний пористий простір, як і глинисті грунти. Чим відрізняються глинисті ґрунти та піщані ґрунти, так це розмір просторів, і це виявляється особливо важливим. Глинисті ґрунти мають багато невеликих просторів, де може проживати вода, тоді як піщані ґрунти мають менше місця для води, але вони значно більші.

Розглянемо два грунти, які займають однаковий обсяг, обидва з «без» води (хоча позбутися від всієї води виявляється неможливо). Грунт можна заповнити водою так, щоб все поровий простір (проміжки між твердими частинками) було зайнято водою. Грунт в такому стані, як кажуть, насичений (рис. 2), і можна визначити загальний простір пір, відстежуючи, скільки води потрібно було додати в грунт для його насичення. Грунт може бути насичений, лише якщо він знаходиться у закритому контейнері, з якого гравітація не може витягнути воду. Якщо в дні ємності відкриваються отвори, то сила тяжіння може витягнути воду. Значно, що гравітація не може витягнути всю воду, але вона може витягнути частину її. Виходить, що самопливом можна видалити набагато більше води з піщаного грунту, ніж з глинистого грунту. Це пояснюється тим, що вода утримується в дрібних порах набагато щільніше, ніж вода, що утримується у великих порах, а сила тяжіння лише досить сильна, щоб витягнути воду з найбільших пір. Грунт, що утримує всю воду, яку він може проти сили тяжіння, як кажуть, знаходиться на потужності поля (рис. 3). Щоб видалити більше води з грунту, потрібно додати рослини. Можна також чекати випаровування, щоб видалити більше води, але це, як правило, набагато повільніше, ніж дозволяє рослинам це робити, і дозволяє побачити іншу критичну точку в вологості ґрунту. Рослини, як і гравітація, можуть видалити лише частину, але не всю воду, що залишилася в грунті. Це тому, що з часом грунт стає настільки сухим, що рослини не можуть вижити. Грунт при такому ступені сухості, як кажуть, знаходиться в постійній точці в'янення (рис.4). Рослини дійсно відрізняються тим, наскільки сухості вони можуть переносити, але більшість рослин, зокрема видів культур, мають досить схожі допуски. Як ємність поля, так і постійна точка в'янення визначають ступінь сухості в ґрунті і фактично можуть бути визначені термінами, які стосуються сили утримання води в грунті та термодинамічного терміна, визначеного як водний потенціал. А кількість присутньої сили пов'язана з розміром пір, що утримують воду: оскільки вона висихає вода, що залишилася в грунті, знаходиться в менших і менших порах, і її важче і важче видалити. Знати, скільки води в грунті, не особливо корисно: глинистий грунт з 15 грамами води на 100 грам грунту (відсоток вологості = 15%) настільки сухий, що мало хто з рослин міг жити в ній. Піщаний грунт з вмістом води 15% може бути насиченим і самопливом може видалити з нього воду. Отже, «вологість» ґрунту контролюється не вмістом води (відсоток вологості), а в енергетичному (водний потенціал) відношенні.

Малюнок 2 Ця цифра представляє насичений грунт: всі проміжки між частинками грунту заповнені водою.

Малюнок 3 Якщо грунт здатний дренувати, гравітація видалить воду з насиченого грунту і вода, яка залишиться, буде присутній оточуючих частинок грунту, через адгезії, а також в просторах між частинками грунту, через зчеплення вода прилипає до себе. Кількість води, яку може видалити гравітація, залежить від розміру просторів, пір, між частинками грунту. Гравітація може видалити воду з великих пір так само, як гравітація витягне воду з соломи. Але гравітація не може видалити молекули води з дрібних пір, оскільки сили зчеплення води перевищують силу тяжіння.

Малюнок 4 Рослини, якщо вони ростуть в грунті, можуть видаляти воду з грунту на польової потужності. Вони можуть чинити тягу досить сильну, щоб видалити воду з «середніх» пір просторів. Але врешті-решт, єдина вода, яка залишається, знаходиться в невеликих порах, і більшість рослин не можуть витягнути досить сильно, щоб видалити цю воду, і вони гинуть (він же «постійно в'яне») при певному рівні сухості ґрунту.

Кількість води, що утримується ґрунтом між його польовою ємністю та постійною точкою в'янення, важлива, оскільки вона представляє ємність для зберігання ґрунту, корисну рослинам. Вода, додана в грунт, який є польовою ємністю, буде стікати з грунту через гравітацію (наскільки швидко це відбувається, залежить від текстури грунту). Вода, що утримується в грунті нижче постійної точки в'янення, недоступна (більшості) рослин. Піщані ґрунти швидко висихають, оскільки вони зберігають мало води між місткістю поля та постійною точкою в'янення. Глинисті ґрунти можуть утримувати набагато більше, але оскільки вода повільно рухається через глинисті ґрунти, як правило, не бажані для сільського господарства, а найкращі сільськогосподарські ґрунти описуються як суглинки із сумішшю піску та глини.

Крім води, ґрунти також містять поживні речовини. Пам'ятайте, що всі поживні речовини, які набувають рослини, за винятком вуглецю, надходять з ґрунтового розчину. Таким чином, вода, що утримується ґрунтом, являє собою не тільки запас води, але і запас поживних речовин. Точно, скільки кожної поживної речовини (та інших розчинених речовин) є частково залежить від кількості води, а також від хімічних взаємодій у ґрунті. Простий погляд на хімію ґрунту полягає в тому, що поживні речовини можуть перебувати в одній з двох ситуацій: тверді речовини (тобто частина частинок грунту) або розчинені речовини, розчинені у воді. Т тут представлені різноманітні мінеральні солі, які можуть роз'єднуватися, вводячи іони в ґрунтовий розчин, наприклад, Na ⁺ і Cl ^—. Реальність складніша. Грунт являє собою трифазну систему з хімічними речовинами не тільки в твердому стані (осадженому стані), а в розчині у вигляді розчинених іонів. Третя фаза між цими двома описується як «іонообмінні поверхні», яка є результатом руйнування твердих компонентів ґрунту (вивітрювання) та втрати (як правило) катіонів, утворюючи негативно заряджену поверхню, яка може електростатично зв'язувати катіони, утворюючи «поверхню обміну катіонами». Рух іонів з ґрунтового розчину на цю поверхню менш питомий і більш динамічний, ніж осадження іонів з ґрунтового розчину на конкретні мінерали. Хоча осадження певних мінералів вимагає відповідності між катіоном та аніоном, будь-який позитивно заряджений іон (катіон) може асоціюватися з поверхнею катіонного обміну. Які катіони насправді проводяться, залежить від їх кількості в грунтовому розчині, їх розміру, кількості заряду. Для живлення рослин ключовим параметром є велика кількість в грунтовому розчині. Розглянемо ґрунтовий розчин в рівновазі з катіонообмінною поверхнею і, отже, має певне співвідношення Na ⁺ до K ⁺ в грунтовому розчині. Якщо коріння рослин видаляють K ⁺ з ґрунтового розчину, зниження концентрації К ⁺ в грунтовому розчині збільшує співвідношення Na ⁺ /K ⁺ і викликає обмін іонів Na ⁺ на іони K ⁺ на ділянках катіонного обміну. Це заповнює запас К ⁺ в грунтовому розчині. Поширене застосування катіонообмінних поверхонь - у пом'якшувачах води, пристроях, які видаляють кальцій і магній з води та замінюють їх натрієм, тим самим роблячи воду «м'якшою». Це призводить до ряду сприятливих наслідків, наприклад, більш ефективного миття милом. Пом'якшувач води працює шляхом переміщення води через іонообмінну «колонку», яка була «завантажена» Na ⁺ (тобто всі місця іонообміну заповнені Na ⁺). У міру руху води по колонці Na ⁺ замінює Ca ²⁺ і Mg ²⁺ в розчині. Врешті-решт потрібно замінити іонообмінний матеріал, оскільки він «наповнений» іонами кальцію та магнію.

Отже, у ґрунті є три «басейни» поживних речовин рослин: специфічні тверді матеріали, як органічні, так і неорганічні, ґрунтовий розчин та місця іонного обміну. Іонний обмін може допомогти буферним змінам у постачанні поживних речовин і пояснює, чому ґрунти з вищою здатністю катіоніту часто є кращими ґрунтами для сільського господарства (тобто можуть вирощувати кращі культури). Більшість поверхонь іонообміну негативно заряджені і, отже, є катіонообмінними поверхнями. Кількість іонообмінних поверхонь, присутніх у ґрунті, сильно залежить від віку ґрунту. У міру старіння ґрунтів специфічні мінерали утворюються внаслідок вивітрювання ґрунтових мінералів та розкладання органічного матеріалу ґрунту. Пам'ятайте, що грунт в цілому, а грунтовий розчин конкретно, залишається нейтральною: позитивні заряди дорівнюють негативним зарядам. Це стосується і розчину, який потрапляє (наприклад, опади) і виходить з ґрунту як грунтові води, але хімія води, що випливає з ґрунту, може сильно відрізнятися від хімії, що надходить у ґрунт.

Зрештою, надходження поживних речовин (наприклад, K ⁺, Ca ^{2 +}, PO ₄ ^-, SO ₄ ^{2 -}) в ґрунті залежить від балансу між доповненнями та втратами. Процеси, що додають поживні речовини, включають: додавання від дощу, снігопаду і пилу; розкладання органічного матеріалу на компоненти, які здатні розчинятися в грунтовому розчині; вивітрювання мінералів грунту на компоненти, які здатні розчинятися. Процеси, що видаляють поживні речовини з ґрунту, включають ерозію, вилуговування (втрату розчинених речовин у воді, оскільки гравітація витягує воду з кореневої зони) та збирання рослинного або тваринного матеріалу.

D Динамічні s грунту

Грунти безперервно змінюються в результаті різноманітних процесів. Постійно додається твердий матеріал, насамперед з рослин, які скидають листя, стебла, плоди та цілі тіла на поверхню ґрунту і постійно додають коріння безпосередньо в ґрунті. Матеріал також додається тваринами та масовими процесами, наприклад, вітром та відкладенням води. Частина матеріалу легко розкладається, зникаючи в атмосфері (вуглекислий газ) та ґрунтовий розчин (аміак, «розчинена органічна речовина») протягом декількох днів. Інші матеріали (наприклад, стовбури дерев, великі деревні коріння) залишаються протягом сотень років. Вода постійно протікає через ґрунт, як правило, осідає на поверхні дощом/снігом і рухається вниз з тягою тяжіння. Але зрідка вода рухається вгору через випаровування з поверхні грунту. Коли вода рухається, вона переносить матеріал з собою, в основному в розчині, але іноді і в суспензії (якщо є масовий потік). Перевезені матеріали не обов'язково транспортуються з ґрунту, але можуть осідати, як правило, в нижніх шарах, де фізичні умови (кількість кисню, рН, розмір та тип частинок) можуть бути різними. Хоча водний баланс ґрунту, як правило, нульовий (тобто входи відповідають виходам) протягом року, це, як правило, не стосується твердого матеріалу, і ґрунти можуть накопичуватися або втрачати матеріал. Навіть якщо тверда і рідка фази знаходяться в сталому стані, з втратами, що відповідають прибутку, діяльність в грунті може змінити свою структуру. Хоча ми зазвичай вважаємо, що матеріал у ґрунті руйнується через процеси вивітрювання та розкладання, іноді більші молекули виготовляються з менших.

різноманітність грунтів

Рисунок 5 Фактори, що контролюють розвиток ґрунту та враховують різноманітність ґрунтів.

Оскільки ґрунти динамічні, вони різноманітні і змінюються з часом передбачуваними способами, тобто розвиваються з часом. Молоді грунти матимуть інші особливості, ніж старі. Т вік грунту є одним з п'яти ключових факторів, що визначають характер грунту (рис. 5). Інші чотири - це материнський матеріал (з чого він виготовлений), клімат, біота та схил. Батьківський матеріал може варіюватися між твердою породою (наприклад, потоком лави), твердим мінеральним матеріалом (наприклад, вулканічним попелом) або органічною речовиною (наприклад, у болоті) з широким розмаїттям між ними. Батьківський матеріал впливає на розмір частинок, хімію ґрунту та те, які організми, ймовірно, займають ґрунт. Клімат, тобто закономірності опадів, температури та зміни цих факторів, важливий з причин, які повинні бути очевидними: температура контролює швидкість розкладання та вивітрювання; опади також впливають на розкладання та вивітрювання, а також контролює кількість води, що просочується через ґрунту. Біота, наявні форми життя, впливає на типи органічного матеріалу, які осідають, та швидкості розкладання. Інший фактор важливості, нахил, мабуть, дивує, поки не зрозуміє, що на нього впливає все наступне: кількість води, що протікає через ґрунт, чи може вода застоюватися в/в ґрунті, кількість ерозії/осадження на ділянці.

Малюнок 6. Нашарування грунтів є наслідком процесів, що відбуваються і є функцією п'яти ключових факторів, показаних на малюнку 5.

Через варіації описаних вище факторів грунти відрізняються різноманітністю. Більш того, їх особливості постійно змінюються в залежності від віку. Одним з проявів цього різноманіття є існування шарів (горизонтів) у багатьох грунтах. Горизонти розвиваються через процесів, що відбуваються в грунті.

На півночі, центральній та північно-східній частині США льодовики відігравали дуже значну роль, впливаючи на три з цих факторів: у багатьох районах вони усували будь-який ґрунт, тому багато ґрунтів відносно молоді; льодовики відкладали різноманітні ґрунтові матеріали (починаючи від пісків і закінчуючи глинами), на яких нові грунти розвивалися; а льодовики створювали різноманітні топографії (схили), на яких розвивалися ґрунти.

Рисунок 7 Підзол, тип ґрунту, характерний для районів з прохолодною температурою та рясними опадами

Малюнок 8 Молізол, тип ґрунту, типовий для пасовищ, районів з помірними температурами та опадами. Молізолі - відмінні сільськогосподарські ґрунти