7.4: Грунти

Грунт - це зовнішній пухкий шар, який покриває поверхню Землі. Якість ґрунту є основним детермінантом, поряд з кліматом, розподілу та росту рослин. Якість грунту залежить не тільки від хімічного складу грунту, але і клімату, рельєфу, і організмів, що живуть в грунті. У сільському господарстві історія ґрунту, така як методи вирощування та попередні культури, змінюють характеристики та родючість цього ґрунту.

Важливість ґрунту

Грунт важливий для нашого суспільства насамперед тому, що він забезпечує фундамент сільського та лісового господарства. Грунт відіграє ключову роль у зростанні рослин. Корисні аспекти рослин включають забезпечення фізичної підтримки, води, тепла, поживних речовин та кисню. Мінеральні поживні речовини з грунту можуть розчинятися у воді, а потім стати доступними рослинам. Через своє коріння рослини поглинають воду і мінерали (наприклад, нітрати, фосфати, калій, мідь, цинк). З цим і вуглекислим газом, придбаним при фотосинтезі, рослини виробляють вуглеводи, білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти, вітаміни, від яких залежать споживачі.

Грунт відіграє певну роль майже у всіх біогеохімічних циклах на поверхні Землі. Глобальна циклічність ключових елементів, таких як вуглець (С), азот (N), фосфор (P) та сірка (S), проходять через ґрунт. У гідрологічному (водному) циклі грунт допомагає опосередковувати інфільтрацію (просочування) з поверхні в грунтові води. Мікроорганізми, що живуть у ґрунті, також можуть бути важливими компонентами біогеохімічних циклів через дію розкладання та інших процесів, таких як фіксація азоту.

Кілька елементів вважаються необхідними для росту рослин. Вуглець (С), водень (Н) і кисень (О) потрібні у великих кількостях, але вони не засвоюються як мінеральні поживні речовини з грунту. Рослини отримують вуглець з вуглекислого газу в атмосфері і водень з води, поглиненої корінням. Атоми кисню надходять з вуглекислого газу, придбаного під час і газоподібного кисню в атмосфері (набувають через аеробне клітинне дихання), а також води. З мінеральних поживних речовин, що поглинаються з грунту, рослинам в значних кількостях потрібні макроелементи, в тому числі азот (N), калій (K), кальцій (Ca), магній (Mg), фосфор (P), сірка (S), кремній (Si). 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 хлор (Cl), залізо (Fe), бор (B), марганець (Mn), натрій (Na), цинк (Zn), мідь (Cu), нікель (Ni) та молібден (Mo). Є деякі інші елементи, які, як правило, сприяють зростанню рослин, але не є абсолютно важливими.

Хоча багато аспектів ґрунту корисні для рослин, надмірно високий рівень мікрометалів (або природних, або доданих людиною) або застосованих гербіцидів може бути токсичним для деяких рослин (рис.\(\PageIndex{a}\)).

Малюнок\(\PageIndex{a}\): Ці місцеві рослини уражаються гербіцидами, які використовувалися для знищення сусідніх бур'янів. Зображення Метта Лавіна (CC-BY-SA).

Мікроелементи та макроелементи бажані в певних концентраціях і можуть бути шкідливими для росту рослин, коли концентрації в ґрунтовому розчині або занадто низькі (граничні), або занадто високі (токсичність). Мінеральні поживні речовини корисні рослинам лише в тому випадку, якщо вони знаходяться в екстракційній формі в грунтових розчинях, таких як розчинений іон, а не в твердому мінералці. 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, що дозволяє концентрації ставати вищими всередині рослини, ніж у ґрунті.

Важливим фактором, що впливає на родючість ґрунту, є рН ґрунту (негативний журнал концентрації іонів водню). РН ґрунту - це показник кислотності або лужності ґрунтового розчину. За шкалою pH (від 0 до 14) значення семи представляє нейтральний розчин; значення менше семи представляє кислий розчин, а значення більше семи - лужний розчин (рис.\(\PageIndex{b}\)). РН грунту впливає на здоров'я мікроорганізмів в грунті і контролює наявність поживних речовин в грунтовому розчині. Сильнокислі грунти (менше 5,5) перешкоджають росту бактерій, що розкладають органіку в грунті. Це призводить до накопичення органічної речовини, яка ще не розкладається, що залишає важливі поживні речовини, такі як азот, у формах, непридатних рослинам. РН ґрунту також впливає на розчинність поживних мінералів. Це важливо, оскільки поживні речовини повинні бути розчинені в розчині, щоб рослини засвоїли їх через коріння. Більшість мінералів більш розчинні в слабокислих грунтах, ніж в нейтральних або слаболужних грунтах. Сильнокислі ґрунти (рН від чотирьох до п'яти), однак, можуть призвести до високих концентрацій алюмінію, заліза та марганцю в ґрунтовому розчині, що може гальмувати ріст деяких рослин.

Малюнок\(\PageIndex{b}\): Шкала рН вимірює кількість іонів водню (H ⁺) у речовині. Це показує рН звичайних побутових розчинів. Ті, у кого рН більше 7, є основними (лужними), а ті, у кого рН менше 7 - кислі. Розчини від високого до низького рН: відбілювач (13), мильна вода (12), розчин аміаку (11), молоко магнезії (10), харчова сода (9), морська вода (8), дистильована вода (7), сеча (6), чорна кава (5), томатний сік (4), апельсиновий сік (3), лимонний сік (2) та шлункова кислота (1). Зверніть увагу, що значення рН є приблизними. Зображення та підпис (модифіковані) з OpenStax/Едварда Стівенса (CC-BY). Доступ безкоштовно на openstax.org.

Кілька факторів визначають рН грунту. Органічний матеріал в грунті знижує рН до певної міри, але він також діє як буфер, обмежуючи зміни рН. Клімат також важливий, з великою кількістю опадів, що збільшує вилуговування та знижує рН. Деякі типи вихідного матеріалу, такі як високий вміст кремнію, знижують рН, тоді як інші, такі як вапняк, збільшують рН.

склад грунту

Грунт складається з органіки (близько 5%), неорганічної мінеральної речовини (40-45% від обсягу грунту), води (близько 25%) і повітря (близько 25%). Кількість кожного з чотирьох основних компонентів ґрунту залежить від кількості рослинності, ущільнення ґрунту та води, присутньої в грунті.

Органічний матеріал складається з мертвих організмів на різних стадіях розкладання. Він темного кольору, оскільки містить перегній, частково розпалася речовина, що містить органічні кислоти. Перегній збагачує грунт поживними речовинами, надає ґрунту пухку текстуру, яка утримує воду, і дозволяє повітрю дифузіроваться через неї. Кисень важливий для коренів рослин і багатьох мешканців грунту. Органічний компонент ґрунту служить цементуючим агентом, повертає рослині поживні речовини, дозволяє ґрунту зберігати вологу, робить грунт придатним для землеробства, забезпечує енергією ґрунтові мікроорганізми. Більшість ґрунтових мікроорганізмів - бактерії, водорості або грибки - перебувають у сухому ґрунті, але активізуються, коли волога стає доступною.

Неорганічний матеріал грунту складається з гірських порід, повільно розщеплюються на більш дрібні частинки, які змінюються за розміром. Частинки грунту діаметром від 100 мкм до 2 мм - це пісок. (Мікрометр, мкм, 10 ^-6 м, або мільйонна частина метра.) Частинки грунту між 2 і 100 мкм називаються мулом, а е ще більш дрібні частинки, менше 2 мкм в діаметрі, називаються глиною.

Грунт в ідеалі повинен містити 50 відсотків твердого матеріалу і 50 відсотків пористого простору (рис.\(\PageIndex{c}\)). Порний простір відноситься до проміжків між частинками грунту. Чим більше частинки грунту, тим більше порових просторів. Вода може швидко проходити через великі порові простори, тому грунти з високим вмістом піску легко стікають. Менші частинки грунту мають більшу площу поверхні щодо обсягу і утворюють вузькі порові простори. Вода чіпляється за ці поверхні, а грунти з високим вмістом глини таким чином утримують воду. (Глина також негативно заряджається, що притягує воду.) Близько половини порового простору повинна містити воду, а інша половина повинна містити повітря.

Малюнок\(\PageIndex{c}\): Частинки ґрунту та порові простори між ними. Чорне затінення являє собою воду, яка заповнює порові простори в нижній частині грунту і чіпляється за вузькі ділянки порового простору у верхній частині грунту. Зображення з «Лісова фізіографія; фізіографія США та принципи ґрунтів стосовно лісового господарства» (суспільне надбання).

Текстура ґрунту базується на відсотках піску, мулу та глини (рис.\(\PageIndex{d}\)). Грунти, які мають високий відсоток одного розміру частинок, названі на честь цієї частки (глинистий грунт має високий відсоток глини). Інші грунти мають суміш двох розмірів частинок і дуже мало третього розміру. Наприклад, мулиста глина містить приблизно 50% глини та 50% мулу, тоді як піщана глина має 50-60% піску та 35-50% глини. Деякі ґрунти не мають домінуючого розміру частинок і містять суміш піску, мулу та гумусу. Ці грунти називаються суглинками, і вони оптимальні для сільського господарства. Середній суглинок містить приблизно 40% піску, 40% мулу та 20% глини. Більші частинки (пісок) полегшують дренаж, а дрібні частинки (глина) полегшують затримку води, тому суглинкові ґрунти мають хороший дренаж і можуть залишатися вологими. Грунти, які трохи відхиляються від середнього суглинку, включають суглинний пісок, супіщаний глинистий суглинки, глинистий суглинки, мулистий глинистий суглинки та мулистий суглинки.

Малюнок\(\PageIndex{d}\): Трикутник текстури ґрунту використовується для визначення текстури ґрунту на основі відсотків піску, мулу та глини. Ліва вісь представляє відсоток глини. Права вісь представляє відсоток мулу. Нижня вісь представляє відсоток піску. Більшість грунтів, які містять більше 40%, відносять до глин. Виняток становлять мулисті глини, які містять 40-60% глини і 40-60% мулу. Іншим винятком є піщані глини, які містять 35-50% глини і 50-70% піску. Глина суглинки і мулисті глинисті суглинки містять 25-40% глини. Глиняні суглинки містять 20-60% мулу, а мулисті глинисті суглинки містять 60-75% мулу. Піщані глинисті суглинки містять 20-35% глини і 50-80% піску. Середні суглинки містять 5-25% глини, 20-50% мулу та 30-55% піску. Грунти з більш ніж 50% мулом і не більше 25% глини - це або мулові суглинки, або мули. Мули мають 80-100% мулу і не більше 15% глини. Пісок має 90-100% піску. Суглинні піски мають 75-90% піску і не більше 15% глини. Грунт зі складом, який не вписується в уже описані категорії, буде супіщаний. Щоб визначити текстуру грунту, спочатку знайдіть відсоток глини і проведіть лінію горизонтально вправо. При цьому знайдіть відсоток мулу і проведіть лінію по діагоналі (вниз і вліво, паралельно осі глини). Дві лінії будуть зустрічатися при правильному типі грунту. Наприклад, промальовані лінії з 20% глини і 40% мулу перетинаються на середній категорії суглинків. Для підтвердження проведіть діагональну лінію (вниз і вправо, паралельно осі сидіння) від цієї точки до осі піску. Ця лінія перетинає вісь на 40%. Підсумовуючи, лінія може бути простежена від кожної осі, яка паралельна осі, яка знаходиться проти неї. Зображення Річарда Вілер/Зефіріса в англійській Вікіпедії (CC-BY-SA).

Органічні та мінеральні ґрунти

Грунти можна розділити на дві групи виходячи з того, як вони утворюються. Органічні грунти - це ті, які утворюються від осідання і часто містять більше 30% органічної речовини. Вони утворюються, коли органічні речовини, такі як листова підстилка, відкладається швидше, ніж вона може розкладатися (рис.\(\PageIndex{e}\)). Мінеральні ґрунти утворюються від вивітрювання гірських порід, зазвичай містять не більше 30% органічних речовин, і в основному складаються з неорганічного матеріалу. Вивітрювання відбувається, коли біологічні, фізичні та хімічні процеси, такі як ерозія, вилуговування або високі температури, руйнують гірські породи.

Малюнок\(\PageIndex{e}\)): Розпад органічного матеріалу відбувається дуже повільно в цьому кислому болоті. Органічний матеріал накопичується, що характерно для органічних грунтів. Зображення Вільяма Фарра (CC-BY-SA).

Грунтові горизонти

Розподіл ґрунту не є рівномірним, оскільки його утворення призводить до утворення шарів; разом вертикальний переріз ґрунту називається ґрунтовим профілем. У межах ґрунтового профілю ґрунтознавці визначають зони, які називаються горизонтами. Горизонт - це шар грунту з виразними фізико-хімічними властивостями, які відрізняються від інших шарів.

Профіль ґрунту має чотири різних шари: 1) O горизонт; 2) горизонт A; 3) B горизонт і 4) C горизонт (рис.\(\PageIndex{f}\) -г). 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. Деякі ґрунти можуть мати додаткові шари (наприклад, горизонт Е, малюнок\(\PageIndex{f}\)) або не мати одного з цих шарів. Товщина шарів також мінлива, і залежить від факторів, що впливають на грунтоутворення. Загалом, незрілі ґрунти можуть мати O, A та C горизонти, тоді як зрілі ґрунти можуть відображати всі ці, а також додаткові шари.

Малюнок\(\PageIndex{f}\)): Профіль грунту. Фотографія показує профіль ґрунту з Південної Дакоти, що розкриває три горизонти. Горизонт А (верхній шар ґрунту) темно-коричневий і простягається приблизно на 1 фут. Під ним знаходиться білий E (висвітлений) горизонт, який має товщину близько 6 дюймів. Горизонт B (надра, позначений Bt) - це середньо-коричневий і найнижчий видимий шар Жовті стрілки символізують транслокацію тонких глин до горизонту B. Шкала знаходиться в футах. Джерело: Університет Айдахо і модифікований Д. Грімлі.

Рисунок\(\PageIndex{g}\)): Це зображення показує різні горизонти, або шари, в грунті. Рослинність росте біля поверхні. Верхній, насичений коричневий шар - це O (органічний) горизонт. Нижче цього сірого горизонту А (верхній шар грунту, або поверхня). Далі йде світло-коричневий B горизонт (надра). Горизонт С (субстрат, або грунтова основа) є засмаглим і включає більші шматки гірських порід. Сіра корінна порода - найглибший шар. E (висвітлений) горизонт, який іноді зустрічається між горизонтами A і B, тут відсутній. Цей твір Wilsonbiggs ліцензовано на умовах CC BY-SA 4.0

O горизонт

Сама вершина горизонту O складається з частково згнилих органічних уламків, як листя. Цей горизонт зазвичай темного кольору через перегною.

Горизонт

Горизонт А (верхній шар ґрунту) складається з суміші органічного матеріалу з неорганічними продуктами вивітрювання, і тому він є початком справжнього мінерального ґрунту. У цій місцевості дощова вода просочується через грунт і переносить матеріали з поверхні. Горизонт А може становити лише 5 см (2 дюйма), а може перевищувати метр. Наприклад, дельти річок, такі як дельта річки Міссісіпі, мають глибокі шари верхнього шару ґрунту. Мікробні процеси відбуваються у верхньому грунті, і цей горизонт підтримує ріст рослин. Багато організмів, таких як дощові черв'яки та комахи, живуть серед коренів рослин на цьому горизонті.

B горизонт

Горизонт В (надра) складається з дрібних частинок, які перемістилися вниз, в результаті чого в грунті утворюється щільний шар. У деяких грунтах горизонт В містить бульби або шар карбонату кальцію. Надра, як правило, світліші за кольором, ніж верхній шар грунту, і часто містять накопичення мінералів.

C горизонт

Горизонт С (грунтова основа), включає вихідний матеріал, органічні та неорганічні речовини, з яких утворюються ґрунти. Вивітрювання вихідного матеріалу являє собою перші кроки в хімічному руйнуванні гірських порід на ґрунт. Часто вивітрений материнський матеріал лежить в основі самого батьківського матеріалу, хоча в деяких місцях він переноситься з іншого місця вітром, водою або льодовиками. Під горизонтом С лежить корінна скеля. Хімічна природа вихідного матеріалу, будь то граніт, вапняк або пісковик, наприклад, має великий вплив на родючість ґрунту, одержуваного з нього.

Фактори, що впливають на грунтоутворення і склад

Фундаментальні фактори, що впливають на ґрунтовий генез, можна розділити на п'ять елементів: клімат, організми, рельєф, материнський матеріал та час. Можна сказати, що рельєф, клімат та організми диктують місцеве ґрунтове середовище та діють разом, щоб викликати вивітрювання та змішування основного матеріалу ґрунту з часом.

Клімат

Роль клімату в розвитку ґрунту включає аспекти температури та опадів. Грунти в дуже холодних районах з умовами вічної мерзлоти (наприклад, арктична тундра), як правило, неглибокі і слабо розвинені через короткий вегетаційний період. У теплому тропічному кліматі ґрунти, як правило, товщі (але не вистачає органічної речовини), з великим вилуговуванням та зміною мінералів. У такому кліматі розкладання органічних речовин і хімічне вивітрювання відбуваються з прискореною швидкістю. Наявність вологи та поживних речовин від вивітрювання також сприятиме біологічній активності: ключовому компоненту якісного ґрунту. Докладніше про вплив клімату на ґрунти див. розділ Біоми.

Стародавні грунти, іноді поховані і збереглися в надрах, іменуються палеозолами (малюнок\(\PageIndex{h}\)) і відображають минулі кліматичні та екологічні умови.

Малюнок\(\PageIndex{h}\): 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.

Організми

Наявність в грунті живих організмів (грунтової біоти) сильно впливає на грунтоутворення і структуру. У грунті зустрічаються різноманітні тварини, такі як нематоди, павуки, комахи, багатоніжки, багатоніжки, дощовики, слимаки та дощові черв'яки (малюнок\(\PageIndex{i}\)). Грунт також містить мікроорганізми, такі як бактерії, археї, гриби та «протисти». Тварини та мікроорганізми можуть виробляти пори та щілини, а коріння рослин можуть проникати в щілини, щоб виробляти більшу фрагментацію. Додатково листя та інший матеріал, що опадає з рослин, розкладаються і вносять свій внесок в склад грунту. Мікроорганізми не тільки розкладають органічну речовину, але сприяють іншим процесам в циклах поживних речовин, таких як фіксація азоту.

Малюнок\(\PageIndex{i}\): Ілюстрація тварин, які зазвичай зустрічаються в грунті. Зображення Арне Хендрікс (CC-BY)

Батьківський матеріал

Мінеральні грунти утворюються безпосередньо від вивітрювання корінної породи, твердої породи, яка лежить під грунтом, і тому вони мають схожий склад з вихідною породою. Інші ґрунти утворюються в матеріалах, які надходили з інших місць, таких як пісок та льодовиковий дрейф. Матеріали, розташовані в глибині грунту, відносно незмінні в порівнянні з відкладеним матеріалом. Відкладення в річках можуть мати різні характеристики, в залежності від того, рухається потік швидко або повільно. Річка, що швидко рухається, може мати відкладення гірських порід та піску, тоді як повільна річка може мати дрібнотекстурований матеріал, такий як глина.

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 кварцами, займуть більше часу. Батьківські матеріали також забезпечують рослини поживними речовинами і можуть впливати на внутрішній дренаж грунту.

Топографія

Регіональні особливості поверхні (звично називаються «заляганням землі») можуть мати великий вплив на характеристики та родючість ґрунту. Топографія впливає на стік води, який відриває материнський матеріал і впливає на ріст рослин. Грунти на крутих схилах більш схильні до ерозії і можуть бути тоншими, ніж ґрунти, що знаходяться на відносно рівному грунті. Інфільтрація, просочування води через грунт, обмежена в крутих грунтах.

Місцевий рельєф може мати важливі мікрокліматичні ефекти. 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 та товщі ґрунти, оскільки великі кореневі системи стабілізують ґрунт та зменшують ерозію (рисунок\(\PageIndex{j}\)).

Малюнок\(\PageIndex{j}\): Схил, що виходить на північ (ліворуч) та схил на південь (праворуч) у середземноморському кліматі (чапаррал) гір Санта-Моніка, Каліфорнія. Рослинність на схилі, що виходить на північ, більш щільна за рахунок прохолодних вологих умов щодо схилу, що виходить на південь. Зображення Ноа Елхардта (CC-BY).

Час

Час є важливим фактором формування ґрунту, оскільки ґрунти розвиваються протягом тривалих періодів. Грунтоутворення - процес динамічний. Матеріали з часом осідають, розкладаються і перетворюються на інші матеріали, які можуть бути використані живими організмами або відкладатися на поверхню ґрунту.

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. З часом, коли процеси вивітрювання поглиблюються, змішуються та змінюють ґрунт, вихідний матеріал стає менш впізнаваним, оскільки хімічні, фізичні та біологічні процеси вступають в силу. 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.

Розвиток ґрунту не завжди відбувається безперервно. Геологічні події, такі як зсуви, просування льодовиків або підйом берегових ліній, можуть швидко закопувати ґрунти. Ерозія в річках і берегових лініях може спричинити видалення або усічення ґрунтів, а вітер або підтоплення повільно осаджують осад, який додає до ґрунту. Тварини можуть змішувати грунт і іноді викликати регресію ґрунту, розворот або «удар в дорозі» для нормального шляху розвитку, і це з часом збільшує розвиток.

Грунтова таксономія

Грунти класифікуються на один із 12 ґрунтових порядків на основі ґрунтових горизонтів, способу їх формування та їх хімічного складу. Наприклад, молізоли (рис.\(\PageIndex{f}\)), які зустрічаються на пасовищах помірного клімату, мають товстий верхній шар грунту, багатий органічним вмістом. Арідізоли, з іншого боку, - це сухі ґрунти, які містять карбонат кальцію і зустрічаються в пустель. Кожен порядок грунту додатково ділиться на підряди. Дивіться USDA «Дванадцять порядків систематики ґрунту» та «Дванадцять ордерів ґрунту» з Університету Айдахо для отримання більш детальної інформації.

Атрибуції

Модифікований Мелісою Ха з наступних джерел:

• Ґрунт із загальної біології OpenStax (CC-BY)
• Профілі та процеси ґрунту та взаємодія ґрунту та рослин з екологічної біології Метью Фішер (ліцензований відповідно до CC-BY)
• Грунт з біології Джона Кімбалла (ліцензований під CC-BY)