8.1: Вступ до здоров'я ґрунту

Вступ до здоров'я ґрунту

(Адаптовано з NRCS, 2017)

Здоров'я ґрунту також прийнято називати, якість ґрунту. Як визначено Службою збереження природних ресурсів, здоров'я ґрунту - це «постійна здатність ґрунту функціонувати як життєво важлива жива екосистема, яка підтримує рослини, тварин та людей». Це поняття визначає той факт, що тільки «живі» істоти можуть мати здоров'я, тим самим підкреслюючи поняття, що грунт - це жива екосистема. Як і у всіх живих істот, включаючи живі екосистеми, єдиний спосіб зберегти життя — це належне управління.

Грунт - це не просто інертне середовище для вирощування, а скоріше складається з мільярдів біологічних організмів, починаючи від мікроскопічних до макроскопічних розмірів. Разом ці організми допомагають підтримувати життєдіяльність грунту, а також безліч фізичних, хімічних і біологічних факторів. Тому ґрунт - це екосистема, яка може забезпечити наступні можливості: (NRCS, 2017)

1. Регулювання води - Грунт допомагає контролювати, куди йде дощ, сніготанення та зрошувальна вода. Вода і розчинені розчинені речовини надходять по землі або в грунт і через нього.
2. Підтримка рослинного і тваринного життя - різноманітність і продуктивність живих істот залежить від грунту.
3. Фільтрація та буферизація потенційних pol utants - Мінерали та мікроби в ґрунті відповідають за фільтрацію, буферизацію, деградацію, іммобілізацію та детоксикацію органічних та неорганічних матеріалів, включаючи промислові та комунальні побічні продукти та атмосферні відкладення.
4. Циклічні поживні речовини - вуглець, азот, фосфор і багато інших поживних речовин зберігаються, трансформуються і циклічно в грунті.
5. Фізична стійкість і підтримка - Структура грунту забезпечує середовище для коренів рослин. Ґрунти також забезпечують підтримку людських структур та захист археологічних скарбів.

Можливості ґрунту визначаються як притаманними, так і динамічними властивостями/якостями всередині ґрунту. Невід'ємною якістю ґрунту є «природна здатність ґрунту функціонувати». Прикладом властивої ґрунту/якості ґрунту є те, як ґрунт піщаної текстури стікає швидше, ніж ґрунт глинистої текстури, або як глибокий ґрунт має більше місця для росту коренів порівняно з ґрунтом з основою на поверхні або поблизу неї. По суті, ідея, що стоїть за властивими властивостями/якостями, полягає в тому, що ці характеристики не змінюються легко. Навпаки, динамічна якість ґрунту - це «як змінюється ґрунт залежно від того, як ним управляється». Управлінські рішення та зусилля можуть впливати на такі фактори, як кількість органічної речовини ґрунту, структура ґрунту та здатність утримувати воду та поживні речовини. Таким чином, на динамічну якість ґрунту безпосередньо впливає властива йому якість грунту.

Однією з головних цілей здоров'я ґрунту є управління ґрунтом таким чином, що покращує або покращує функцію ґрунту. Важливо розуміти, що ґрунти по-різному реагуватимуть на управління залежно від властивих ґрунтових властивостей, і тому слід враховувати те, як ці властивості змінюються в навколишньому ландшафті. Ще однією основною метою здоров'я ґрунту є оцінка та управління ґрунтом, щоб він функціонував оптимально для поточного та майбутнього використання. Моніторинг змін стану ґрунтів має вирішальне значення для визначення сталого управління ґрунтами та практики.

Сукупна стабільність

Грунт з сильними агрегатами, як правило, має адекватну біологічну активність, органічну речовину та циклічність поживних речовин. Коли грунтові агрегати слабкі, це може бути ознакою деградації.

Залишаючи ґрунт вразливим до більшого ризику вітрової та водної ерозії та перешкоджає інфільтрації та росту коренів. Агрегація особливо важлива для виживання біологічних ґрунтових спільнот і вплине на кількість порового простору між частинками ґрунту, тому також впливає на насипну щільність, ЦВК та багато інших динамічних властивостей ґрунту.

Частинки ґрунту утворюють агрегати як продукт цементуючих агентів у ґрунті, включаючи вміст глини, адсорбовані катіони, такі як кальцій та магній, та вміст оксиду заліза. Розширення і стиснення глинистих частинок, коли вони стають вологими, а потім сухими, можуть зміщуватися і тріскати ґрунтову масу і створювати агрегати або розбивати їх. Кальцій, магній, залізо та алюміній стабілізують агрегати за допомогою сорбції органічних речовин. Навпаки, сукупна стабільність зменшується зі збільшенням кількості замінного натрію: дисперсія підвищується, коли між частинками ґрунту накопичується занадто багато іонів натрію.

Обробіток грунту може як сприяти, так і руйнувати ґрунтові агрегати. Якщо грунт знаходиться на відповідному рівні вологості, обробка грунту може розбити великі грудки на природні агрегати, створюючи пухкий, пористий стан, що сприяє зростанню молодих коренів і саджанців, а також включення органічних поправок в грунт і знищення бур'янів. Однак протягом багатьох років практика обробітку грунту може збільшити окислювальні втрати органічної речовини ґрунту, послаблюючи ґрунтові агрегати. Якщо обробіток ґрунту проводиться при занадто вологому грунті, ґрунтові заповнювачі можуть бути подрібнені або змащені, що призводить до зниження макропористості та створення умов прудіння.

Одним із методів визначення того, чи є ґрунт стабільними заповнювачами, є проведення випробування на гасіння, яке рекомендується Службою збереження природних ресурсів USDA.

ПОЖИВНА ЦИКЛІКА

Існує кілька поживних речовин, доступних для рослин, які важливі для загального здоров'я ґрунту. Три основні поживні речовини, що мають важливе значення, - N, P та K. Поживні речовини відбуваються природним чином у ґрунтах у мінеральній формі, через біологічні входи, атмосферне осадження та внесення добрив. Поживні речовини втрачаються з систем через такі процеси, як стік, розчинність у воді, поглинання рослин та вилуговування. Керуючи ґрунтом для рослинництва, важливо розуміти цикли поживних речовин, доступність та потенціал втрати.

Цикл азоту

Малюнок 1: Цикл азоту Йоганна Дрео, CC BY-SA 3.0

Нітрифікація - це окислення відновлених форм N, як правило, амонію (\(\ce{NH4+}\)), через нітрит (\(\ce{NO2}\)), до нітрату (\(\ce{NO3^{-}}\)). Процес починається з автотрофних та хемолітотрофних бактерій, окислювальних амоній, що утворюється мінералізацією органічних речовин та додаванням добрив, виробляючи нітрати та кислоти, що призводить до підкислення ґрунту. Процес нітрифікації визначає відносну кількість різних неорганічних джерел N, доступних для росту рослин і культур, і відповідає за значні втрати доданого N добрива.

Денітрифікація передбачає відновлення нітрату до нітриту, оксиду азоту, закису азоту та газу азоту. Цей процес каталізується бактеріями, археями та грибами і має важливе значення для повернення N в атмосферу.

Малюнок 2: Цикл P Ласкаво просимо 1To1The1Jungle в англійській Вікіпедії, Копія циклу фосфору, CC BY 3.0

Порівняно з іншими макроелементами, такими як S і Ca, концентрація фосфору в ґрунтовому розчині дуже низька, як правило, коливається від 0,001 мг/л у неродючому ґрунті до 1 мг/л у сильно удобреному грунті. Коріння рослин поглинають Р, розчинений в грунтовому розчині, головним чином у вигляді фосфатних іонів (HPO ₄ ^2- _{і H 2} PO ₄), що визначаються по рН грунту. У сильнокислих грунтах (рН 4 5,5) домінує Н ₂ ^{РО ₄ 2-}, в той час як лужні містять переважно ГПО ₄ ^2-. Фосфор втрачається з ґрунту при видаленні рослин, ерозії P-несучих частинок грунту, Р, розчинених у поверхневих стічних водах і вимиванні в грунтові води. Додавання P до ґрунту з атмосфери невеликі, але можуть збалансувати втрати в непорушених екосистемах. Для оптимального виробництва рослинництва може знадобитися внесення добрив для перевищення вивезення врожаю сільськогосподарських культур. Фосфор, що міститься в органічних формах, може мінералізуватися і іммобілізуватися тими ж загальними процесами, що виділяють N і C з SOM: іммобілізація і мінералізація. ¹ На ці процеси впливають ті ж фактори, які контролюють загальне розкладання СОМ: температура, вологість і обробіток грунту.

¹ Чиста іммобілізація розчинного Р, ймовірно, відбудеться, якщо залишки, додані до ґрунту, мають співвідношення C/P, яке перевищує 300:1, тоді як чиста мінералізація ймовірна, якщо співвідношення нижче 200:1.

Малюнок 3: Цикл калію

На відміну від фосфору, калій міститься в порівняно високих рівнях у більшості мінеральних ґрунтів, проте кількість K, що утримується в легко обмінному стані, часто дуже мала. Однак з часом К може виділятися в обмінні і розчинені форми в грунтовому розчині і може бути швидко прийнятий рослинами.

Калій легко втрачається при вилуговуванні, яке можна зменшити за рахунок збільшення катіонообмінної здатності (ЦВК) грунту. ² Вапнування кислого ґрунту для підвищення рН також може зменшити втрати на вилуговування. Рослини забирають дуже велику кількість К, тому видалення біомаси є ще одним джерелом втрати К з ґрунтів. Ця ситуація посилюється розкішним споживанням, або схильністю рослин займати розчинний калій в надлишку, якщо присутні досить великі кількості.

² ЦВК - це залучення позитивно заряджених іонів калію до негативно заряджених місць катіонічного обміну на глині та органічній речовині.

Форми калію в ґрунтах, як показано на графіці вище, включають K у первинній мінеральній структурі (недоступний для поглинання рослин), необмінні K у вторинних мінералах та сполуках (повільно доступні) та обмінні K+ на колоїдах ґрунту та K2O, розчинні у воді (легко доступні, лише 1-2% від загальної кількості ґрунту калію).

Малюнок 4: «Цикл вуглецю» від Університетської корпорації з атмосферних досліджень

Вуглецевий цикл ілюструє роль ґрунту в глобальному циклі С. У ґрунті зберігається більше С, ніж в атмосфері та надземній біомасі разом! Грунт С знаходиться у вигляді органічних сполук, спочатку створених шляхом фотосинтезу, в якому рослини\(\ce{CO2}\) перетворюють атмосферу в рослинну речовину і потрапляють в ґрунтову систему, коли рослини і тварини гинуть і розкладаються. Грунтові організми споживають органічну речовину, витягуючи енергію та поживні речовини та виділяючи воду, тепло та\(\ce{CO2}\) назад в атмосферу. Якщо органічна речовина додається в ґрунт з більш швидкою швидкістю, ніж організми перетворюють її\(\ce{CO2}\), С поступово видаляється з атмосфери і секвестується в грунті.

Вирощування аерує грунт, викликаючи підвищену біологічну активність, а отже, швидке розкладання, втрату СОМ і викид\(\ce{CO2}\) в атмосферу. Більшість втрат грунту C відбувається в перші кілька років після початку вирощування, і в даний час фермери та вчені зацікавлені в тому, щоб змінити цей ефект шляхом збільшення С, що зберігається в грунтах через управління. (Джерело: Національний центр підтримки технологій NRCS East)

НАЯВНІСТЬ ЖИВИЛЬНИХ РЕЧОВИН

Окрім циклічності поживних речовин, фактична доступність цих поживних речовин для рослин має вирішальне значення при оцінці стану ґрунту. Певні поживні речовини доступні лише за певних ґрунтових умов. РН ґрунту особливо важливий, коли мова йде про доступність поживних речовин. Розглянемо наступний малюнок:

Малюнок 5: Наявність поживних речовин (джерело: Rough Brothers Inc.)

Ширина бруска вказує на відносний діапазон доступності для кожного поживного речовини при різних рівнях рН. Більш товсті ширини бруска відображають підвищену доступність, а більш тонкі секції бруска відображають умови, при яких доступність поживних речовин зменшується.

Прочитайте та завершіть наступні дії та запитання. На всі питання слід відповісти, а завершені лабораторії повинні бути завершені в кінці лабораторного періоду. Ніякі пізні роботи не приймаються.