Gleba

Gleja powierzchniowa rozwinęła się w glinie lodowcowej w Irlandii Północnej

Gleba , zwana również powszechnie ziemią lub brudem , jest mieszaniną materii organicznej , minerałów , gazów , cieczy i organizmów , które wspólnie podtrzymują życie . Niektóre definicje naukowe odróżniają brud od gleby , ograniczając ten pierwszy termin konkretnie do przemieszczonej gleby.

Gleba składa się z fazy stałej złożonej z minerałów i materii organicznej (matryca glebowa), a także z fazy porowatej , która zawiera gazy (atmosfera glebowa) i wodę (roztwór glebowy). W związku z tym gleba jest trójstanowym układem ciał stałych, cieczy i gazów. Gleba jest produktem kilku czynników: wpływu klimatu , ukształtowania terenu (wysokości, orientacji i nachylenia terenu), organizmów i materiałów macierzystych gleby (oryginalne minerały) oddziałujące w czasie. Nieustannie podlega rozwojowi poprzez liczne procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne, w tym wietrzenie z towarzyszącą mu erozją . Biorąc pod uwagę jej złożoność i silne wewnętrzne powiązania , ekolodzy gleby uważają glebę za ekosystem .

Większość gleb ma gęstość nasypową w stanie suchym (gęstość gleby z uwzględnieniem pustych przestrzeni po wyschnięciu) między 1,1 a 1,6 g/cm ^{3 , chociaż} gęstość cząstek gleby jest znacznie wyższa i mieści się w przedziale od 2,6 do 2,7 g/cm ³ . Niewiele gleb na planecie Ziemia jest starszych niż plejstocen i żadna nie jest starsza niż kenozoik , chociaż skamieniałe gleby zachowały się już w archaiku .

Pedosfera łączy się z litosferą , hydrosferą , atmosferą i biosferą . Zbiorowo gleba na Ziemi, zwana pedosferą , pełni cztery ważne funkcje :

jako podłoże do wzrostu roślin
jako środek magazynowania , dostarczania i oczyszczania wody
jako modyfikator atmosfery ziemskiej
jako siedlisko dla organizmów

Wszystkie te funkcje z kolei modyfikują glebę i jej właściwości.

Gleboznawstwo ma dwa podstawowe kierunki studiów: edafologię i pedologię . Edafologia zajmuje się badaniem wpływu gleb na organizmy żywe. Pedologia koncentruje się na tworzeniu, opisie (morfologii) i klasyfikacji gleb w ich naturalnym środowisku. Z technicznego punktu widzenia gleba jest objęta szerszą koncepcją regolitu, która obejmuje również inny luźny materiał leżący nad podłożem skalnym, jaki można znaleźć na Księżycu i innych obiektach niebieskich .

Procesy

Gleba jest głównym składnikiem ekosystemu Ziemi . Procesy zachodzące w glebie wpływają na światowe ekosystemy w daleko idący sposób, czego skutki sięgają od zubożenia warstwy ozonowej i globalnego ocieplenia po niszczenie lasów deszczowych i zanieczyszczenie wody . Jeśli chodzi o obieg węgla na Ziemi , gleba działa jako ważny rezerwuar węgla i jest potencjalnie jednym z najbardziej reaktywnych na niepokoje spowodowane działalnością człowieka i zmiany klimatu. Przewiduje się, że w miarę ocieplania się planety gleby będą dodawać dwutlenek węgla do atmosfery z powodu zwiększonej aktywności biologicznej w wyższych temperaturach, co stanowi dodatnie sprzężenie zwrotne (wzmocnienie). Ta prognoza została jednak zakwestionowana, biorąc pod uwagę nowszą wiedzę na temat obrotu węgla w glebie.

Gleba działa jako medium inżynieryjne, siedlisko dla organizmów glebowych , system recyklingu substancji odżywczych i odpadów organicznych , regulator jakości wody , modyfikator składu atmosfery i podłoże dla wzrostu roślin , co czyni ją niezwykle ważnym dostawcą usług ekosystemowych . Ponieważ gleba ma ogromny zakres dostępnych nisz i siedlisk , zawiera znaczną część różnorodności genetycznej Ziemi . Gram gleby może zawierać miliardy organizmów należących do tysięcy gatunków, głównie drobnoustrojów iw dużej mierze wciąż niezbadanych. Gleba ma średnią gęstość prokariotyczną około 108 ^organizmów na gram, podczas gdy ocean ma nie więcej niż 107 ^organizmów prokariotycznych na mililitr (gram) wody morskiej. Węgiel organiczny zatrzymywany w glebie jest ostatecznie zwracany do atmosfery w procesie oddychania przeprowadzanym przez organizmy heterotroficzne , ale znaczna część jest zatrzymywana w glebie w postaci materii organicznej w glebie; orka zwykle zwiększa tempo oddychania gleby , prowadząc do zubożenia materii organicznej w glebie. Ponieważ korzenie roślin potrzebują tlenu, napowietrzanie jest ważną cechą gleby. Wentylację tę można osiągnąć za pośrednictwem sieci połączonych ze sobą porów glebowych , które również pochłaniają i zatrzymują wodę deszczową, dzięki czemu jest ona łatwo dostępna do pobierania przez rośliny. Ponieważ rośliny wymagają prawie ciągłego zaopatrzenia w wodę, ale większość regionów otrzymuje sporadyczne opady deszczu, gleby do zatrzymywania wody ma kluczowe znaczenie dla przetrwania roślin.

Gleby mogą skutecznie usuwać zanieczyszczenia, zabijać czynniki chorobotwórcze i rozkładać zanieczyszczenia , ta ostatnia właściwość nazywana jest naturalnym tłumieniem . Zazwyczaj gleby utrzymują absorpcję netto tlenu i metanu i ulegają uwolnieniu netto dwutlenku węgla i podtlenku azotu . Gleby zapewniają roślinom wsparcie fizyczne, powietrze, wodę, moderację temperatury, składniki odżywcze i ochronę przed toksynami. Gleby dostarczają łatwo dostępnych składników odżywczych roślinom i zwierzętom, przekształcając martwą materię organiczną w różne formy składników odżywczych.

Kompozycja

This is a diagram and related photograph of soil layers from bedrock to soil.

A, B i C reprezentują profil glebowy , notacja ukuta po raz pierwszy przez Wasilija Dokuczajewa (1846–1903), ojca pedologii. Tutaj A jest wierzchnią warstwą gleby ; B oznacza regolit ; C to saprolit (mniej zwietrzały regolit); najniższa warstwa reprezentuje podłoże skalne .

Składniki gleby mułowo-gliniastej w procentach objętościowych

Woda (25%)

Gazy (25%)

Piasek (18%)

Muł (18%)

glina (9%)

Materia organiczna (5%)

Typowa gleba zawiera około 50% ciał stałych (45% substancji mineralnych i 5% materii organicznej) oraz 50% pustych przestrzeni (lub porów), z których połowa jest zajęta przez wodę, a połowa przez gaz. Procentową zawartość składników mineralnych i organicznych w glebie można traktować jako stałą (w krótkim okresie), podczas gdy procentową zawartość wody i gazu w glebie uważa się za bardzo zmienną, przy czym wzrost jednego z nich jest jednocześnie równoważony spadkiem drugiego. Przestrzeń porów umożliwia infiltrację i ruch powietrza i wody, które mają kluczowe znaczenie dla życia w glebie. Zagęszczenie , powszechny problem z glebami, zmniejsza tę przestrzeń, uniemożliwiając dostęp powietrza i wody do korzeni roślin i organizmów glebowych.

Przy wystarczającej ilości czasu niezróżnicowana gleba wykształci profil glebowy , który składa się z dwóch lub więcej warstw, zwanych poziomami glebowymi. Różnią się one jedną lub kilkoma właściwościami, takimi jak tekstura , struktura , gęstość , porowatość, konsystencja, temperatura, kolor i reaktywność . Horyzonty różnią się znacznie grubością i generalnie nie mają ostrych granic; ich rozwój zależy od rodzaju materiału macierzystego , procesów modyfikujących ten materiał macierzysty oraz czynników glebotwórczych które wpływają na te procesy. Biologiczne wpływy na właściwości gleby są najsilniejsze w pobliżu powierzchni, chociaż wpływy geochemiczne na właściwości gleby zwiększają się wraz z głębokością. Dojrzałe profile glebowe zazwyczaj obejmują trzy podstawowe poziomy główne: A, B i C. Solum zwykle obejmuje poziomy A i B. Żywy składnik gleby jest w dużej mierze ograniczony do solum i jest ogólnie bardziej widoczny na horyzoncie A. Sugerowano, że pedon , kolumna gleby rozciągająca się pionowo od powierzchni do leżącego pod nią materiału macierzystego i wystarczająco duża, aby pokazać cechy charakterystyczne wszystkich jej poziomów, można podzielić na humipedon ( część żywa, w której żyje większość organizmów glebowych, odpowiadająca formie próchnicy) ), kopedon (w pozycji pośredniej, gdzie zachodzi większość wietrzenia minerałów) i lithopedon (w kontakcie z podłożem).

Tekstura gleby jest określona przez względne proporcje poszczególnych cząstek piasku , mułu i gliny , które tworzą glebę. Interakcja poszczególnych cząstek mineralnych z materią organiczną, wodą, gazami poprzez procesy biotyczne i abiotyczne powoduje, że cząsteczki te ulegają flokulacji (sklejają się), tworząc agregaty lub peds . Tam, gdzie można zidentyfikować te agregaty, można powiedzieć, że gleba została rozwinięta i można ją dalej opisać pod względem koloru, porowatości, konsystencji, odczynu ( kwasowość ) itp.

Woda jest krytycznym czynnikiem w rozwoju gleby ze względu na jej udział w rozpuszczaniu, opadach, erozji, transporcie i odkładaniu się materiałów, z których składa się gleba. Mieszanina wody i rozpuszczonych lub zawieszonych materiałów, które zajmują przestrzeń porów gleby , nazywana jest roztworem glebowym. Ponieważ woda glebowa nigdy nie jest czystą wodą, ale zawiera setki rozpuszczonych substancji organicznych i mineralnych, można ją dokładniej nazwać roztworem glebowym. Woda ma kluczowe znaczenie dla rozpuszczania , wytrącania i wypłukiwania minerałów z profilu glebowego . Wreszcie, woda wpływa na rodzaj roślinności, która rośnie w glebie, co z kolei wpływa na rozwój gleby, złożone sprzężenie zwrotne, którego przykładem jest dynamika pasmowych wzorców roślinności w regionach półpustynnych.

Gleby dostarczają roślinom składników odżywczych , z których większość jest utrzymywana na miejscu przez cząstki gliny i materii organicznej ( koloidy ) . żywe organizmy lub martwa materia organiczna gleby. Te związane składniki odżywcze wchodzą w interakcję z wodą glebową w celu buforowania skład roztworu glebowego (łagodzenie zmian w roztworze glebowym) w miarę zwilżania lub wysychania gleby, pobierania przez rośliny składników odżywczych, wypłukiwania soli lub dodawania kwasów lub zasad.

Na dostępność składników odżywczych dla roślin ma wpływ pH gleby , które jest miarą aktywności jonów wodorowych w roztworze glebowym. pH gleby jest funkcją wielu czynników glebotwórczych i generalnie jest niższe (bardziej kwaśne) tam, gdzie wietrzenie jest bardziej zaawansowane.

Większość składników pokarmowych roślin, z wyjątkiem azotu , pochodzi z minerałów tworzących materiał macierzysty gleby. Część azotu pochodzi z deszczu w postaci rozcieńczonego kwasu azotowego i amoniaku , ale większość azotu jest dostępna w glebie w wyniku wiązania azotu przez bakterie . W systemie gleba-roślina większość składników odżywczych jest poddawana recyklingowi przez żywe organizmy, pozostałości roślinne i mikrobiologiczne (materia organiczna gleby), formy związane z minerałami i roztwór glebowy. Zarówno żywe organizmy glebowe (mikroby, zwierzęta i korzenie roślin), jak i materia organiczna gleby mają kluczowe znaczenie dla tego recyklingu, a tym samym dla tworzenia gleby i żyzności gleby . Enzymy glebowe drobnoustrojów mogą uwalniać składniki odżywcze z minerałów lub materii organicznej do wykorzystania przez rośliny i inne mikroorganizmy, sekwestrować (wbudowywać) je do żywych komórek lub powodować ich utratę z gleby w wyniku ulatniania się (utrata do atmosfery w postaci gazów) lub wypłukiwanie.

Tworzenie

Mówi się, że gleba powstaje, gdy nagromadziła się materia organiczna, a koloidy są wypłukiwane w dół, pozostawiając osady gliny, próchnicy , tlenku żelaza , węglanu i gipsu , tworząc odrębną warstwę zwaną horyzontem B. Jest to nieco arbitralna definicja, ponieważ mieszanki piasku, mułu, gliny i próchnicy będą wspierać aktywność biologiczną i rolniczą wcześniej. Te składniki są przenoszone z jednego poziomu na drugi przez wodę i aktywność zwierząt. W efekcie w profilu glebowym tworzą się warstwy (horyzonty). Zmiana i ruch materiałów w glebie powoduje powstawanie charakterystycznych horyzonty glebowe . Jednak nowsze definicje gleby obejmują gleby bez materii organicznej, takie jak regolity , które powstały na Marsie i analogiczne warunki na pustyniach planety Ziemi.

Przykład rozwoju gleby mógłby rozpocząć się od wietrzenia podłoża skalnego płynącej lawy, które wytworzyłoby czysto mineralny materiał macierzysty, z którego tworzy się tekstura gleby. Rozwój gleby przebiegałby najszybciej z nagiej skały ostatnich przepływów w ciepłym klimacie, przy obfitych i częstych opadach. W takich warunkach rośliny (w pierwszej fazie porosty wiążące azot i sinice , następnie epilityczne rośliny wyższe ) bardzo szybko zakorzeniają się na podłożu bazaltowym . lawy, mimo że jest tam bardzo mało materii organicznej. Minerały bazaltowe zwykle starzeją się stosunkowo szybko, zgodnie z szeregiem rozpuszczania Goldicha . Rośliny są wspierane przez porowatą skałę, ponieważ jest ona wypełniona wodą zawierającą składniki odżywcze, która przenosi minerały rozpuszczone w skałach. Szczeliny i kieszenie, lokalna topografia skał, zawierałyby drobne materiały i korzenie roślin. Rozwijające się korzenie roślin są związane z wietrzejącymi minerałami grzybami mikoryzowymi które pomagają w rozbijaniu porowatej lawy, dzięki czemu z czasem gromadzą się materia organiczna i drobniejsza gleba mineralna. Takie początkowe stadia rozwoju gleby zostały opisane na wulkanach, ostańcach i morenach lodowcowych.

Na to, jak przebiega proces formowania się gleby, wpływa co najmniej pięć klasycznych czynników, które są ze sobą powiązane w ewolucji gleby: materiał macierzysty, klimat, topografia (rzeźba terenu), organizmy i czas. Po zmianie kolejności na klimat, rzeźbę terenu, organizmy, materiał macierzysty i czas tworzą akronim CROPT.

Właściwości fizyczne

Fizyczne właściwości gleb, w kolejności od malejącego znaczenia dla usług ekosystemowych, takich jak produkcja roślinna , to tekstura , struktura , gęstość nasypowa , porowatość , konsystencja, temperatura , kolor i rezystywność . Tekstura gleby jest określana przez względną proporcję trzech rodzajów cząstek mineralnych gleby, zwanych oddzieleniami gleby: piasku , mułu i gliny . W następnej większej skali struktury gleby zwane pedami lub częściej agregaty glebowe powstają z gleby oddzielającej się, gdy tlenki żelaza , węglany , glina, krzemionka i próchnica pokrywają cząstki i powodują ich przyleganie do większych, stosunkowo stabilnych struktur drugorzędowych. Gęstość objętościowa gleby , określona w znormalizowanych warunkach wilgotności, jest szacunkową wartością zagęszczenia gleby . Porowatość gleby składa się z pustej części objętości gleby i jest zajęta przez gazy lub wodę. Konsystencja gleby to zdolność materiałów glebowych do sklejania się. Temperatura i kolor gleby określają się same. Rezystywność odnosi się do odporności na przewodzenie prądu elektrycznego i wpływa na szybkość korozji konstrukcji metalowych i betonowych zakopanych w ziemi. Właściwości te zmieniają się w zależności od głębokości profilu glebowego, tj. poprzez poziomy glebowe . Większość z tych właściwości determinuje napowietrzanie gleby oraz zdolność wody do infiltracji i zatrzymywania w glebie.

Wilgotność gleby

Zawartość wody w glebie może być mierzona jako objętość lub waga . Poziomy wilgotności gleby, w kolejności malejącej zawartości wody, to nasycenie, pojemność pola , punkt więdnięcia , suchość powietrzna i suszenie w piecu. Pojemność polowa opisuje osuszoną mokrą glebę w punkcie, w którym zawartość wody osiąga równowagę z grawitacją. Nawadnianie gleby powyżej pojemności pola grozi stratami związanymi z przesiąkaniem. Punkt więdnięcia opisuje suchą granicę wzrostu roślin. W okresie wegetacji na wilgotność gleby nie mają wpływu grupy funkcjonalne ani bogactwo gatunkowe.

Dostępna pojemność wodna to ilość wody zatrzymanej w profilu glebowym, dostępnej dla roślin. Gdy zawartość wody spada, rośliny muszą przeciwdziałać rosnącym siłom adhezji i sorpcyjności , aby pobierać wodę. Planowanie nawadniania pozwala uniknąć stresu związanego z wilgocią poprzez uzupełnianie wyczerpanej wody przed wywołaniem stresu.

Działanie kapilarne jest odpowiedzialne za przemieszczanie wód gruntowych z mokrych obszarów gleby do obszarów suchych. Konstrukcje nawadniania podwodnego (np. łóżka odprowadzające wilgoć , donice pod nawadnianiem ) opierają się na kapilarności w dostarczaniu wody do korzeni roślin. Działanie kapilarne może skutkować parowaniem soli, powodując degradację gleby poprzez zasolenie .

Pomiar wilgotności gleby — pomiar zawartości wody w glebie, wyrażonej objętościowo lub wagowo — może opierać się na sondach in situ (np. sondach pojemnościowych , sondach neutronowych ) lub metodach teledetekcji . Pomiar wilgotności gleby jest ważnym czynnikiem determinującym zmiany aktywności gleby.

Gaz glebowy

Atmosfera gleby lub gazu glebowego bardzo różni się od atmosfery powyżej. Zużycie tlenu przez drobnoustroje i korzenie roślin oraz wydzielanie przez nie dwutlenku węgla zmniejsza ilość tlenu i zwiększa stężenie dwutlenku węgla. Atmosferyczne stężenie CO ₂ wynosi 0,04%, ale w przestrzeni porowej gleby może być od 10 do 100 razy większe, potencjalnie przyczyniając się do zahamowania oddychania korzeni. Gleby wapienne regulują stężenie CO ₂ poprzez buforowanie węglanami , w przeciwieństwie do gleb kwaśnych, w których cały CO ₂ respirowany gromadzi się w systemie porów gleby. Na ekstremalnych poziomach CO ₂ jest toksyczny. Sugeruje to możliwą ujemnego sprzężenia zwrotnego stężenia CO ₂ w glebie poprzez jego hamujący wpływ na oddychanie korzeni i drobnoustrojów (zwane również oddychaniem gleby ). Ponadto puste przestrzenie glebowe są nasycane parą wodną, co najmniej do punktu maksymalnej higroskopijności , powyżej którego deficyt prężności pary występuje w przestrzeni porowej gleby. Odpowiednia porowatość jest niezbędna nie tylko do wnikania wody, ale także do dyfuzji gazów do wewnątrz i na zewnątrz. Przemieszczanie się gazów odbywa się na zasadzie dyfuzji z wyższych stężeń do niższych, przy czym współczynnik dyfuzji maleje wraz z zagęszczaniem gleby . Tlen z atmosfery dyfunduje do gleby, gdzie jest zużywany, a dwutlenek węgla w ilościach przekraczających tę atmosferę dyfunduje wraz z innymi gazami (w tym gazami cieplarnianymi ) oraz wodą. Tekstura i struktura gleby silnie wpływają na porowatość gleby i dyfuzję gazów. To całkowita przestrzeń porów ( porowatość ) gleby, a nie wielkość porów i stopień wzajemnego połączenia porów (lub odwrotnie, uszczelnienie porów), wraz z zawartością wody, turbulencjami powietrza i temperaturą, określają szybkość dyfuzji gazów do i z gleby. Płytka struktura gleby i zagęszczenie gleby (niska porowatość) utrudniają przepływ gazów, a niedobór tlenu może zachęcać bakterie beztlenowe do redukcji (usuwania tlenu) z azotanów NO ₃ do gazów N ₂ , N ₂ O i NO, które są następnie tracone do atmosfery, pozbawiając w ten sposób glebę azotu, szkodliwego procesu zwanego denitryfikacją . Napowietrzona gleba jest również pochłaniaczem netto metanu (CH ₄ ), ale jest producentem netto metanu ( gazu cieplarnianego silnie pochłaniającego ciepło ), gdy gleba jest pozbawiona tlenu i poddana działaniu podwyższonych temperatur.

Atmosfera glebowa jest również miejscem emisji substancji lotnych innych niż tlenki węgla i azotu z różnych organizmów glebowych, np. korzeni, bakterii, grzybów, zwierząt. Te substancje lotne są wykorzystywane jako chemiczne wskazówki, dzięki czemu atmosfera glebowa jest siedliskiem sieci interakcji odgrywających decydującą rolę w stabilności, dynamice i ewolucji ekosystemów glebowych. Biogenne glebowe lotne związki organiczne są wymieniane z atmosferą nadziemną, w której ich ilość jest zaledwie o 1–2 rzędy wielkości niższa niż z roślinności nadziemnej.

Ludzie mogą uzyskać pewne wyobrażenie o atmosferze glebowej dzięki dobrze znanemu zapachowi „po deszczu”, kiedy infiltrująca woda deszczowa wypłukuje całą atmosferę glebową po okresie suszy lub gdy gleba jest wykopywana, właściwość masowa przypisywana redukcjonistom sposób do określonych związków biochemicznych, takich jak petrichor czy geosmina .

Faza stała (matryca gleby)

Cząsteczki gleby można klasyfikować na podstawie ich składu chemicznego ( mineralizmu ), jak również wielkości. Rozkład wielkości cząstek gleby, jej tekstura, określa wiele właściwości tej gleby, w szczególności przewodność hydrauliczną i potencjał wodny , ale mineralogia tych cząstek może silnie modyfikować te właściwości. Szczególnie ważna jest mineralogia najdrobniejszych cząstek gleby, gliny.

Chemia

Skład chemiczny gleby decyduje o jej zdolności do dostarczania roślinom dostępnych składników pokarmowych i wpływa na jej właściwości fizyczne oraz zdrowie żyjącej w niej populacji. Ponadto chemia gleby określa również jej korozyjność , stabilność i zdolność do pochłaniania zanieczyszczeń i filtrowania wody. To chemia powierzchni koloidów mineralnych i organicznych decyduje o właściwościach chemicznych gleby. Koloid to mała, nierozpuszczalna cząsteczka o wielkości od 1 nanometra do 1 mikrometra , a więc wystarczająco mały, aby pozostać zawieszony przez ruchy Browna w płynnym ośrodku bez osiadania. Większość gleb zawiera organiczne cząstki koloidalne zwane humusem , a także nieorganiczne cząstki koloidalne glin . Bardzo duża powierzchnia właściwa koloidów i ich ładunki elektryczne nadają glebie zdolność zatrzymywania i uwalniania jonów . Ujemnie naładowane miejsca na koloidach przyciągają i uwalniają kationy w tak zwanej wymianie kationowej . Zdolność do wymiany kationów to ilość wymienialnych kationów na jednostkę masy suchej gleby i jest wyrażona w miliekwiwalentach dodatnio naładowanych jonów na 100 gramów gleby (lub centymoli ładunku dodatniego na kilogram gleby; cmol _c /kg). Podobnie dodatnio naładowane miejsca na koloidach mogą przyciągać i uwalniać aniony w glebie, dając glebie zdolność do wymiany anionów.

Wymiana kationów i anionów

Wymiana kationów zachodząca między koloidami a wodą glebową buforuje (umiarkuje) pH gleby, zmienia strukturę gleby i oczyszcza przesiąkającą wodę poprzez adsorbowanie kationów wszelkiego rodzaju, zarówno pożytecznych, jak i szkodliwych.

Ujemne lub dodatnie ładunki na cząstkach koloidalnych sprawiają, że są one w stanie utrzymać odpowiednio kationy lub aniony na swoich powierzchniach. Zarzuty wynikają z czterech źródeł.

Podstawienie izomorficzne zachodzi w glinie podczas jej tworzenia, kiedy kationy o niższej wartościowości zastępują kationy o wyższej wartościowości w strukturze krystalicznej. Podstawienia w warstwach najbardziej zewnętrznych są bardziej skuteczne niż w warstwach najbardziej wewnętrznych, ponieważ ładunku elektrycznego spada wraz z kwadratem odległości. Rezultatem netto są atomy tlenu z ładunkiem ujemnym netto i zdolnością przyciągania kationów.
Atomy tlenu na krawędzi gliny nie są w równowadze jonowej, ponieważ struktury tetraedryczne i oktaedryczne są niekompletne.
Hydroksyle mogą zastępować tlenki warstw krzemionki w procesie zwanym hydroksylacją . Kiedy wodory grup hydroksylowych gliny są jonizowane do roztworu, pozostawiają tlen z ładunkiem ujemnym (gliny anionowe).
Wodory grup hydroksylowych próchnicy mogą również ulegać jonizacji do roztworu, pozostawiając, podobnie jak glina, tlen o ładunku ujemnym.

Kationy utrzymywane na ujemnie naładowanych koloidach są odporne na wypłukiwanie w dół przez wodę i są poza zasięgiem korzeni roślin, dzięki czemu zachowują żyzność gleby na obszarach o umiarkowanych opadach deszczu i niskich temperaturach.

W procesie wymiany kationów na koloidach istnieje hierarchia, ponieważ kationy różnią się siłą adsorpcji przez koloid, a co za tym idzie zdolnością do wzajemnej wymiany ( wymiana jonowa ). Jeśli występuje w równych ilościach w roztworze wodnym gleby:

Al ³⁺ zastępuje H ⁺ zastępuje Ca ²⁺ zastępuje Mg ²⁺ zastępuje K ⁺ tak samo jak NH
⁺₄ zastępuje Na ⁺

Jeśli jeden kation zostanie dodany w dużych ilościach, może zastąpić inne przez samą siłę swojej liczby. Nazywa się to prawem działań masowych . Dzieje się tak w dużej mierze po dodaniu nawozów kationowych ( potaż , wapno ).

Gdy roztwór glebowy staje się bardziej kwaśny (niskie pH , co oznacza obfitość H ⁺ ), inne kationy słabiej związane z koloidami są wypychane do roztworu, ponieważ jony wodoru zajmują miejsca wymiany ( protonowanie ). Niskie pH może spowodować, że wodór grup hydroksylowych zostanie wciągnięty do roztworu, pozostawiając naładowane miejsca na koloidzie dostępne do zajęcia przez inne kationy. Ta jonizacja grup hydroksylowych na powierzchni koloidów glebowych tworzy tak zwane ładunki powierzchniowe zależne od pH. W przeciwieństwie do ładunków stałych powstałych w wyniku podstawienia izomorficznego , ładunki zależne od pH są zmienne i rosną wraz ze wzrostem pH. Uwolnione kationy mogą być udostępniane roślinom, ale są również podatne na wypłukiwanie z gleby, co prawdopodobnie powoduje, że gleba jest mniej żyzna. Rośliny są w stanie wydalać H ⁺ do gleby poprzez syntezę kwasów organicznych iw ten sposób zmieniać pH gleby w pobliżu korzenia oraz wypychać kationy z koloidów, udostępniając je roślinie.

Zdolność wymiany kationów (CEC)

Zdolność wymiany kationów to zdolność gleby do usuwania kationów z roztworu wodnego gleby i sekwestracji tych, które mają być wymieniane później, gdy korzenie roślin uwalniają jony wodoru do roztworu. CEC to ilość wymiennego kationu wodoru (H ⁺ ), która połączy się ze 100 gramami suchej masy gleby i której miarą jest jeden miliekwiwalent na 100 gramów gleby (1 meq/100 g). Jony wodoru mają pojedynczy ładunek, a jedna tysięczna grama jonów wodoru na 100 gramów suchej gleby daje miarę jednego milirównoważnika jonów wodoru. Wapń o masie atomowej 40 razy większej niż wodór i wartościowości 2 przekształca się w (40 ÷ 2) × 1 miliekwiwalent = 20 miliekwiwalentów jonów wodorowych na 100 gramów suchej gleby lub 20 meq/100 g. Współczesna miara CEC wyrażana jest w centymolach ładunku dodatniego na kilogram (cmol/kg) suchej w piecu gleby.

Większość CEC w glebie występuje na koloidach gliniastych i próchnicznych, a brak tych w gorącym, wilgotnym i wilgotnym klimacie (takim jak tropikalne lasy deszczowe ), z powodu odpowiednio wypłukiwania i rozkładu, wyjaśnia pozorną sterylność gleb tropikalnych. Żywe korzenie roślin mają również pewną ilość CEC, związaną z ich powierzchnią właściwą.

Zdolność kationowymienna gleb; tekstury gleby; koloidy glebowe
Gleba	Państwo	CEC meq/100 g
Szarlotka drobny piasek	Floryda	1.0
Drobna piaszczysta glina Ruston	Teksas	1.9
glina z Glouchester	New Jersey	11.9
Gęsta glina mułowata	Illinois	26.3
Glina Gleasona	Kalifornia	31,6
Glina Susquehanna	Alabama	34,3
Davie błotnisty drobny piasek	Floryda	100,8
Piaski	—	1–5
Drobne gliny piaszczyste	—	5–10
Iły i gliny mułowe	—	5-15
Iły gliniaste	—	15–30
Gliny	—	ponad 30
Seskwioksydy	—	0–3
Kaolinit	—	3-15
illita	—	25–40
Montmorylonit	—	60–100
Wermikulit (podobny do illitu)	—	80–150
Humus	—	100–300

Zdolność wymiany anionów (AEC)

Zdolność wymiany anionów to zdolność gleby do usuwania anionów (takich jak azotany , fosforany ) z roztworu wodnego gleby i sekwestracji tych do późniejszej wymiany, gdy korzenie roślin uwalniają aniony węglanowe do roztworu wodnego gleby. Te koloidy, które mają niski CEC, mają zwykle trochę AEC. Gliny amorficzne i półtoratlenkowe mają najwyższe AEC, a następnie tlenki żelaza. Poziomy AEC są znacznie niższe niż w przypadku CEC, ze względu na ogólnie wyższy wskaźnik powierzchni naładowanych dodatnio (w porównaniu z ujemnie) na koloidach glebowych, z wyjątkiem gleb o ładunku zmiennym. Fosforany są zwykle zatrzymywane w miejscach wymiany anionowej.

Iły wodorotlenku żelaza i glinu są zdolne do wymiany swoich anionów wodorotlenkowych (OH ⁻ ) na inne aniony. Kolejność odzwierciedlająca siłę adhezji anionów jest następująca:

H
₂ PO
^-₄ zastępuje SO
^{2 -}₄ zastępuje NO
^-₃ zastępuje Cl ^-

Ilość wymienialnych anionów wynosi od dziesiątych części do kilku miliekwiwalentów na 100 g suchej gleby. Wraz ze wzrostem pH jest stosunkowo więcej grup hydroksylowych, które wypierają aniony z koloidów i zmuszają je do rozpuszczenia i usunięcia z magazynu; stąd AEC maleje wraz ze wzrostem pH (zasadowości).

Reaktywność (pH)

Reaktywność gleby jest wyrażana w postaci pH i jest miarą kwasowości lub zasadowości gleby . Dokładniej, jest miarą hydroniowego w roztworze wodnym i waha się w wartościach od 0 do 14 (od kwaśnego do zasadowego), ale praktycznie rzecz biorąc, dla gleb pH waha się od 3,5 do 9,5, ponieważ wartości pH wykraczające poza te skrajne wartości są toksyczne dla życia formy.

W temperaturze 25°C wodny roztwór o pH 3,5 zawiera 10-3,5 ^moli H 3 _O + ⁽ jonów hydroniowych) na litr roztworu (a także 10-10,5 ^moli na litr OH- ⁾ . Wartość pH 7, zdefiniowana jako obojętna, zawiera 10-7 ^moli jonów hydroniowych na litr roztworu oraz 10-7 ^moli OH- ^na litr; ponieważ oba stężenia są równe, mówi się, że neutralizują się nawzajem. pH 9,5 zawiera 10-9,5 ^moli jonów hydroniowych na litr roztworu (a także ^10-2,5 moli na litr OH ⁻ ). pH 3,5 zawiera milion razy więcej jonów hydroniowych na litr niż roztwór o pH 9,5 ( 9,5 - 3,5 = 6 lub 10 ⁶ ) i jest bardziej kwaśny.

Wpływ pH na glebę polega na usuwaniu z niej lub udostępnianiu określonych jonów. Gleby o wysokiej kwasowości zwykle zawierają toksyczne ilości glinu i manganu . W wyniku kompromisu między toksycznością a wymaganiami większość składników odżywczych jest lepiej dostępna dla roślin przy umiarkowanym pH, chociaż większość minerałów jest lepiej rozpuszczalna w kwaśnych glebach. Wysoka kwasowość utrudnia organizmom glebowym, a większość upraw rolnych najlepiej radzi sobie z glebami mineralnymi o pH 6,5 i glebami organicznymi o pH 5,5. Biorąc pod uwagę, że przy niskim pH toksyczne metale (np. kadm, cynk, ołów) są naładowane dodatnio, ponieważ kationy i zanieczyszczenia organiczne są w postaci niejonowej, dzięki czemu oba stają się bardziej dostępne dla organizmów, zasugerowano, że rośliny, zwierzęta i drobnoustroje powszechnie żyjące w glebach kwaśnych są wstępnie przystosowane do każdego rodzaju zanieczyszczeń, zarówno pochodzenia naturalnego, jak i ludzkiego.

Na obszarach o dużych opadach deszczu gleby mają tendencję do zakwaszania, ponieważ kationy zasadowe są wypierane z koloidów glebowych przez masowe działanie jonów hydroniowych ze zwykłej lub nietypowej kwasowości deszczu na kationy związane z koloidami. Wysokie opady deszczu mogą następnie wypłukiwać składniki odżywcze, pozostawiając glebę zamieszkaną tylko przez te organizmy, które są szczególnie wydajne w pobieraniu składników odżywczych w bardzo kwaśnych warunkach, na przykład w tropikalnych lasach deszczowych . Gdy koloidy zostaną nasycone H ₃ O ⁺ , dodanie większej ilości jonów hydroniowych lub kationów hydroksylowych glinu powoduje jeszcze niższe pH (bardziej kwaśne), ponieważ gleba jest pozbawiona zdolności buforowania. Na obszarach o ekstremalnych opadach i wysokich temperaturach glina i próchnica mogą zostać wypłukane, co dodatkowo zmniejsza zdolność buforową gleby. Na obszarach o niskich opadach nieługowany wapń podnosi pH do 8,5, a po dodaniu wymiennego sodu gleba może osiągnąć pH 10. Powyżej pH 9 wzrost roślin jest ograniczony. Wysokie pH skutkuje niskim mikroskładników odżywczych , ale rozpuszczalne w wodzie chelaty tych składników odżywczych mogą korygować deficyt. Sód można zredukować przez dodanie gipsu (siarczanu wapnia), ponieważ wapń przylega do gliny mocniej niż sód, powodując wypychanie sodu do roztworu wodnego gleby, skąd może zostać wypłukany przez obfite ilości wody.

Bazowy procent nasycenia

Istnieją kationy kwasotwórcze (np. hydron, glin, żelazo) oraz kationy zasadotwórcze (np. wapń, magnez, sód). Część ujemnie naładowanych miejsc wymiany koloidów w glebie (CEC), które są zajęte przez kationy tworzące zasady, nazywana jest nasyceniem zasadowym . Jeśli gleba ma CEC 20 meq, a 5 meq to kationy glinu i hydroniu (kwasotwórcze), zakłada się, że pozostałe pozycje na koloidach ( 20 - 5 = 15 meq ) są zajęte przez kationy zasadotwórcze, tak że nasycenie bazowe wynosi 15 ÷ 20 × 100% = 75% (za dopełnienie 25% przyjmuje się kationy kwasotwórcze). Nasycenie zasadą jest prawie wprost proporcjonalne do pH (wzrasta wraz ze wzrostem pH). Przydaje się przy obliczaniu ilości wapna potrzebnego do zneutralizowania kwaśnej gleby (zapotrzebowanie na wapno). Ilość wapna potrzebna do zneutralizowania gleby musi uwzględniać ilość jonów kwasotwórczych na koloidach (kwasowość wymienna), a nie tylko w roztworze wodnym gleby (kwasowość wolna). Dodatek wystarczającej ilości wapna do zneutralizowania roztworu wodnego gleby będzie niewystarczający do zmiany pH, ponieważ kationy kwasotwórcze przechowywane w koloidach glebowych będą miały tendencję do przywracania pierwotnego stanu pH, ponieważ są wypychane z tych koloidów przez dodany wapń Limonka.

Buforowanie

Odporność gleby na zmianę odczynu w wyniku dodatku kwasu lub materiału zasadowego jest miarą pojemności buforowej gleby i (dla danego rodzaju gleby) wzrasta wraz ze wzrostem CEC. Dlatego czysty piasek prawie nie ma zdolności buforowania, chociaż gleby bogate w koloidy (mineralne lub organiczne) mają wysoką zdolność buforowania . Buforowanie odbywa się poprzez wymianę kationów i neutralizację . Jednak koloidy nie są jedynymi regulatorami pH gleby. Należy również podkreślić rolę węglanów . Bardziej ogólnie, w zależności od poziomów pH, kilka systemów buforowych ma pierwszeństwo przed sobą, od zakres buforu węglanu wapnia do zakresu buforu żelaza.

Dodanie niewielkiej ilości silnie zasadowego wodnego roztworu amoniaku do gleby spowoduje, że amon wyprze jony hydroniowe z koloidów, a produktem końcowym będzie woda i związany koloidalnie amon, ale ogólna zmiana pH gleby będzie niewielka.

Dodanie niewielkiej ilości wapna Ca(OH) ₂ spowoduje wyparcie jonów hydroniowych z koloidów glebowych, powodując wiązanie wapnia w koloidach i wydzielanie CO ₂ i wody, przy niewielkiej trwałej zmianie pH gleby.

Powyżej podano przykłady buforowania pH gleby. Ogólna zasada jest taka, że wzrost zawartości określonego kationu w roztworze wodnym gleby spowoduje, że kation ten zostanie związany z koloidami (buforowany), a spadek roztworu tego kationu spowoduje jego wycofanie z koloidu i przeniesienie do roztworu ( buforowane). Stopień buforowania jest często związany z CEC gleby; im większa CEC, tym większa pojemność buforowa gleby.

redoks

Reakcje chemiczne w glebie obejmują pewną kombinację przenoszenia protonów i elektronów. Utlenianie występuje, gdy następuje utrata elektronów w procesie przenoszenia, podczas gdy redukcja występuje, gdy następuje przyrost elektronów. Potencjał redukcyjny mierzony jest w woltach lub miliwoltach. Społeczności drobnoustrojów glebowych rozwijają się wzdłuż łańcuchów transportu elektronów , tworząc biofilmy przewodzące elektryczność i rozwijające się sieci nanoprzewodów bakteryjnych .

Czynniki redoks w rozwoju gleby, gdzie powstawanie redoksymorficznych cech kolorystycznych dostarcza krytycznych informacji do interpretacji gleby. Zrozumienie gradientu redoks jest ważne dla zarządzania sekwestracją węgla, bioremediacją, wyznaczaniem terenów podmokłych i mikrobiologicznymi ogniwami paliwowymi w glebie .

Składniki odżywcze

Składniki odżywcze roślin, ich symbole chemiczne i formy jonowe powszechnie występujące w glebie i dostępne dla roślin
Element	Symbol	Jon lub cząsteczka
Węgiel	C	CO ₂ (głównie przez liście)
Wodór	H	H ⁺ , H ₂ O (woda)
Tlen	O	O ²⁻ , OH ⁻ , CO ²⁻₃ , SO ²⁻₄ , CO ₂
Fosfor	P	H ₂ PO ⁻₄ , HPO ^{2 −}₄ (fosforany)
Potas	k	K ⁺
Azot	N	NH ⁺₄ , NO ^-₃ (amon, azotan)
Siarka	S	SO ²⁻₄
Wapń	ok	około ²⁺
Żelazo	Fe	Fe ²⁺ , Fe ³⁺ (żelazo, żelazo)
Magnez	Mg	Mg ²⁺
Bor	B	H ₃ BO ₃ , H ₂ BO ^-₃ , B (OH) ^-₄
Mangan	Mn	Mn2 ⁺
Miedź	Cu	Cu ²⁺
Cynk	zn	Zn2 ⁺
molibden	pn	MoO ²⁻₄ (molibdenian)
Chlor	Kl	Cl ^- (chlorek)

Siedemnaście pierwiastków lub składników odżywczych jest niezbędnych do wzrostu i reprodukcji roślin. Są to węgiel (C), wodór (H), tlen (O), azot (N), fosfor (P), potas ( K ), siarka (S), wapń (Ca), magnez (Mg), żelazo (Fe ), bor (B), mangan (Mn), miedź (Cu), cynk (Zn), molibden (Mo), nikiel (Ni) i chlor (Cl). Składniki odżywcze potrzebne roślinom do zakończenia ich cyklu życiowego są uważane za niezbędne składniki odżywcze . Składniki odżywcze, które poprawiają wzrost roślin, ale nie są niezbędne do zakończenia cyklu życiowego rośliny, są uważane za nieistotne. Z wyjątkiem węgla, wodoru i tlenu, które są dostarczane z dwutlenkiem węgla i wodą oraz azotu, dostarczanego przez wiązanie azotu, składniki odżywcze pochodzą pierwotnie z mineralnego składnika gleby. Prawo minimum wyraża, że gdy dostępna forma składnika odżywczego nie jest w wystarczającej proporcji w roztworze glebowym, wówczas inne składniki odżywcze nie mogą być pobierane przez roślinę w optymalnym tempie. Określony stosunek składników odżywczych w roztworze glebowym jest zatem obowiązkowy dla optymalizacji wzrostu roślin, wartość, która może różnić się od współczynników składników odżywczych obliczonych na podstawie składu roślin.

Pobieranie składników odżywczych przez rośliny może zachodzić tylko wtedy, gdy są one obecne w postaci dostępnej dla roślin. W większości sytuacji składniki odżywcze są wchłaniane w jonowej z wody glebowej (lub razem z nią). Chociaż minerały są źródłem większości składników odżywczych, a większość pierwiastków odżywczych w glebie jest utrzymywana w postaci krystalicznej w minerałach pierwotnych i wtórnych, wietrzeją one zbyt wolno, aby wspierać szybki wzrost roślin. Na przykład aplikacja drobno zmielonych minerałów, skalenia i apatytu , do gleby rzadko dostarcza niezbędnych ilości potasu i fosforu w ilości wystarczającej do prawidłowego wzrostu roślin, ponieważ większość składników pokarmowych pozostaje związana w kryształach tych minerałów.

Składniki pokarmowe zaadsorbowane na powierzchni koloidów ilastych i materii organicznej gleby stanowią bardziej dostępny rezerwuar wielu składników pokarmowych roślin (np. K, Ca, Mg, P, Zn). Ponieważ rośliny absorbują składniki odżywcze z wody glebowej, rozpuszczalna pula jest uzupełniana z puli związanej z powierzchnią. Rozkład materii organicznej gleby przez mikroorganizmy to kolejny mechanizm, dzięki któremu uzupełniana jest rozpuszczalna pula składników pokarmowych – jest to ważne dla dostarczania roślinom N, S, P i B dostępnych dla roślin z gleby.

Gram na gram, zdolność próchnicy do zatrzymywania składników odżywczych i wody jest znacznie większa niż w przypadku minerałów ilastych, a większość zdolności do wymiany kationów w glebie wynika z naładowanych grup karboksylowych w materii organicznej. Jednak pomimo dużej zdolności humusu do zatrzymywania wody po nasiąknięciu, jego wysoka hydrofobowość zmniejsza jego zwilżalność . Ogólnie rzecz biorąc, niewielkie ilości próchnicy mogą znacznie zwiększyć zdolność gleby do promowania wzrostu roślin.

Materia organiczna gleby

Materiał organiczny w glebie składa się ze związków organicznych i obejmuje materiał roślinny, zwierzęcy i mikrobiologiczny, zarówno żywy, jak i martwy. Typowa gleba ma skład biomasy 70% mikroorganizmów, 22% makrofauny i 8% korzeni. Żywy składnik akra gleby może obejmować 900 funtów dżdżownic, 2400 funtów grzybów, 1500 funtów bakterii, 133 funtów pierwotniaków i 890 funtów stawonogów i alg.

Kilka procent materii organicznej gleby, przy krótkim czasie przebywania , składa się z biomasy drobnoustrojów i metabolitów bakterii, pleśni i promieniowców, które rozkładają martwą materię organiczną. Gdyby nie działanie tych mikroorganizmów, cała część dwutlenku węgla z atmosfery zostałaby zamaskowana w glebie jako materia organiczna. Jednak w tym samym czasie drobnoustroje glebowe przyczyniają się do sekwestracji węgla w wierzchniej warstwie gleby poprzez tworzenie stabilnej próchnicy. W celu sekwestracji większej ilości węgla w glebie w celu złagodzenia efektu cieplarnianego na dłuższą metę skuteczniejsze byłoby stymulowanie humifikacji niż zmniejszanie rozkładu ściółki .

Główną częścią materii organicznej gleby jest złożony zespół małych cząsteczek organicznych, zwanych łącznie humusem lub substancjami humusowymi . Stosowanie tych terminów, które nie opierają się na jasnej klasyfikacji chemicznej, zostało uznane za przestarzałe. Inne badania wykazały, że klasyczne pojęcie cząsteczki nie jest wygodne dla próchnicy, która uniknęła większości podejmowanych w ciągu dwóch stuleci prób rozłożenia jej na składniki jednostkowe, ale nadal chemicznie różni się od polisacharydów, lignin i białek.

Większość żywych organizmów w glebie, w tym rośliny, zwierzęta, bakterie i grzyby, jest zależna od materii organicznej w zakresie składników odżywczych i/lub energii. Gleby zawierają związki organiczne w różnym stopniu rozkładu, którego szybkość zależy od temperatury, wilgotności gleby i napowietrzenia. Bakterie i grzyby żywią się surową materią organiczną, którą żywią się pierwotniaki , które z kolei są żywione przez nicienie , pierścienice i stawonogi , które same są w stanie konsumować i przekształcać surową lub zhumifikowaną materię organiczną. Nazywa się to siecią pokarmową gleby , przez który przetwarzana jest cała materia organiczna, jak w układzie pokarmowym . Materia organiczna utrzymuje otwarte gleby, umożliwiając infiltrację powietrza i wody, i może zatrzymywać wodę w ilości nawet dwukrotnie większej niż sama waży. Wiele gleb, w tym gleby pustynne i kamienisto-żwirowe, zawiera niewiele materii organicznej lub nie zawiera jej wcale. Gleby składające się w całości z materii organicznej, takie jak torf ( histosole ), są bezpłodne. Na najwcześniejszym etapie rozkładu pierwotny materiał organiczny jest często nazywany surową materią organiczną. Ostatni etap rozkładu nazywany jest humusem.

Na użytkach zielonych większość materii organicznej dodawanej do gleby pochodzi z głębokich, włóknistych systemów korzeniowych traw. Natomiast liście drzew spadające na dno lasu są głównym źródłem materii organicznej gleby w lesie. Kolejną różnicą jest częste występowanie na murawach pożarów, które niszczą duże ilości materiału naziemnego, ale stymulują jeszcze większy udział korzeni. Ponadto znacznie większa kwasowość pod jakimkolwiek lasem hamuje działanie niektórych organizmów glebowych, które w przeciwnym razie mieszałyby większość ściółki powierzchniowej z glebą mineralną. W rezultacie gleby pod użytkami zielonymi na ogół tworzą grubszy poziom A z głębszym rozmieszczeniem materii organicznej niż w porównywalnych glebach pod lasami, które charakterystycznie magazynują większość swojej materii organicznej w dnie lasu ( poziom O ) i cienkim poziomie A.

Humus

Humus odnosi się do materii organicznej, która została rozłożona przez mikroflorę i faunę gleby do tego stopnia, że jest odporna na dalszy rozkład. Humus zwykle stanowi tylko pięć procent objętości gleby lub mniej, ale jest niezbędnym źródłem składników odżywczych i dodaje ważnych właściwości teksturalnych, kluczowych dla zdrowia gleby i wzrostu roślin. Humus jest również pokarmem dla stawonogów, termitów i dżdżownic , które dodatkowo ulepszają glebę. Produkt końcowy, próchnica, jest zawieszony w koloidalnej w roztworze glebowym i tworzy słaby kwas , który może atakować minerały krzemianowe poprzez chelatowanie ich atomów żelaza i glinu. Humus ma wysoką zdolność wymiany kationów i anionów, która w przeliczeniu na suchą masę jest wielokrotnie większa niż w przypadku koloidów ilastych. Działa również jako bufor, podobnie jak glina, przed zmianami pH i wilgotności gleby.

Kwasy humusowe i kwasy fulwowe , które zaczynają się jako surowa materia organiczna, są ważnymi składnikami próchnicy. Po śmierci roślin, zwierząt i drobnoustrojów mikroby zaczynają żywić się pozostałościami poprzez produkcję pozakomórkowych enzymów glebowych, co ostatecznie prowadzi do powstania próchnicy. W miarę rozkładu pozostałości powstają tylko cząsteczki alifatyczne i aromatyczne węglowodory, połączone i stabilizowane wiązaniami tlenowymi i wodorowymi, pozostają w postaci złożonych zespołów molekularnych zwanych wspólnie humusem. Humus nigdy nie jest czysty w glebie, ponieważ reaguje z metalami i glinami, tworząc kompleksy, które dodatkowo przyczyniają się do jej stabilności i struktury gleby. Chociaż struktura humusu zawiera w sobie niewiele składników odżywczych (z wyjątkiem metali konstytutywnych, takich jak wapń, żelazo i aluminium), jest w stanie przyciągać i łączyć słabymi wiązaniami kationy i aniony, które mogą być dalej uwalniane do roztworu glebowego w odpowiedzi na selektywne pobieranie przez korzenie i zmiany pH gleby, proces o pierwszorzędnym znaczeniu dla utrzymania żyzności gleb tropikalnych.

Lignina jest odporna na rozkład i gromadzi się w glebie. Reaguje również z białkami , co dodatkowo zwiększa jego odporność na rozkład, w tym rozkład enzymatyczny przez drobnoustroje. Tłuszcze i woski z materii roślinnej mają jeszcze większą odporność na rozkład i utrzymują się w glebie przez tysiące lat, stąd ich wykorzystanie jako śladów dawnej roślinności w zasypanych warstwach gleby. Gleby gliniaste często mają wyższą zawartość substancji organicznych, które utrzymują się dłużej niż gleby bez gliny, ponieważ cząsteczki organiczne przylegają do gliny i są przez nią stabilizowane. Białka normalnie rozkładają się łatwo, z wyjątkiem skleroproteiny , ale po związaniu z cząstkami gliny stają się bardziej odporne na rozkład. Podobnie jak w przypadku innych białek, cząsteczki glinki absorbują enzymy wydzielane przez drobnoustroje, zmniejszając aktywność enzymów , jednocześnie chroniąc enzymy pozakomórkowe przed degradacją. Dodatek materii organicznej do gleb gliniastych może sprawić, że ta materia organiczna i wszelkie dodane składniki odżywcze będą niedostępne dla roślin i drobnoustrojów przez wiele lat. Badanie wykazało zwiększoną żyzność gleby po dodaniu dojrzałego kompostu do gleby gliniastej. Wysoka garbników w glebie może powodować sekwestrację azotu w postaci odpornych kompleksów tanina-białko.

Powstawanie próchnicy jest procesem zależnym od ilości dodawanego co roku materiału roślinnego oraz rodzaju podłoża. Na oba wpływ ma klimat i rodzaj obecnych organizmów. Gleby z próchnicą mogą różnić się zawartością azotu, ale zazwyczaj zawierają od 3 do 6 procent azotu. Surowa materia organiczna, jako rezerwa azotu i fosforu, jest istotnym składnikiem wpływającym na żyzność gleby . Humus pochłania również wodę, rozszerza się i kurczy między stanami suchymi i mokrymi w większym stopniu niż glina, zwiększając porowatość gleby. Humus jest mniej stabilny niż składniki mineralne gleby, ponieważ jest redukowany w wyniku rozkładu mikrobiologicznego, az czasem jego stężenie zmniejsza się bez dodawania nowej materii organicznej. Jednak próchnica w swoich najbardziej stabilnych formach może przetrwać stulecia, jeśli nie tysiąclecia. Węgiel drzewny jest źródłem wysoce stabilnego próchnicy, zwanego czarnym węglem , który był tradycyjnie używany do poprawy żyzności gleb tropikalnych ubogich w składniki odżywcze. Ta bardzo starożytna praktyka, jak stwierdzono w genezie Ciemne ziemie amazońskie , zostały odnowione i stały się popularne pod nazwą biowęgla . Zasugerowano, że biowęgiel można wykorzystać do sekwestracji większej ilości węgla w walce z efektem cieplarnianym.

Wpływ klimatologiczny

Produkcja, akumulacja i degradacja materii organicznej w dużym stopniu zależą od klimatu. Na przykład, gdy rozmrożenie , znacząco wpływa to na przepływ gazów glebowych z gazami atmosferycznymi. Temperatura, wilgotność gleby i topografia to główne czynniki wpływające na gromadzenie się materii organicznej w glebie. Materia organiczna ma tendencję do gromadzenia się w wilgotnych lub zimnych warunkach, w których ulega rozkładowi aktywność jest utrudniona przez niską temperaturę lub nadmierną wilgotność, co skutkuje warunkami beztlenowymi. I odwrotnie, obfite opady deszczu i wysokie temperatury klimatu tropikalnego umożliwiają szybki rozkład materii organicznej i wypłukiwanie składników pokarmowych roślin. Ekosystemy leśne na tych glebach opierają się na wydajnym recyklingu składników odżywczych i materii roślinnej przez żywe rośliny i biomasę mikrobiologiczną w celu utrzymania ich produktywności, co jest procesem zakłócanym przez działalność człowieka. Nadmierne nachylenie, w szczególności w przypadku upraw na potrzeby rolnictwa, może sprzyjać erozji wierzchniej warstwy gleby, w której znajduje się większość surowca organicznego, który w przeciwnym razie stałby się próchnicą.

Pozostałości roślinne

Typowe rodzaje i udziały procentowe składników resztek roślinnych

Celuloza (45%)

Lignina (20%)

Hemiceluloza (18%)

Białko (8%)

Cukry i skrobie (5%)

Tłuszcze i woski (2%)

Celuloza i hemiceluloza ulegają szybkiemu rozkładowi przez grzyby i bakterie, a ich okres półtrwania wynosi 12–18 dni w klimacie umiarkowanym. Grzyby brunatnej zgnilizny mogą rozkładać celulozę i hemicelulozę, pozostawiając ligninę i związki fenolowe . Skrobia , która jest magazynem energii dla roślin, ulega szybkiemu rozkładowi przez bakterie i grzyby. Lignina składa się z polimerów złożonych z 500 do 600 jednostek o silnie rozgałęzionej, amorficznej strukturze, połączonych z celulozą, hemicelulozą i pektyną w ściany komórkowe roślin . Lignina ulega bardzo powolnemu rozkładowi, głównie przez białej zgnilizny i promieniowce ; jego okres półtrwania w warunkach umiarkowanych wynosi około sześciu miesięcy.

Horyzonty

Pozioma warstwa gleby, której cechy fizyczne, skład i wiek różnią się od tych znajdujących się powyżej i poniżej, nazywana jest poziomem glebowym. Nazewnictwo horyzontu opiera się na rodzaju materiału, z którego się składa. Materiały te odzwierciedlają czas trwania określonych procesów glebotwórczych. Są one oznaczane za pomocą skrótowego zapisu liter i cyfr, które opisują poziom pod względem jego barwy, wielkości, tekstury, struktury, konsystencji, ilości korzeni, pH, pustek, cech granicznych oraz obecności guzków lub konkrecji. Żaden profil glebowy nie obejmuje wszystkich głównych horyzontów. Niektóre, zwane entizolami , mogą mieć tylko jeden poziom lub są obecnie uważane za nie posiadające poziomu, w szczególności grunty początkowe z nierekultywowanych złóż odpadów górniczych , moren , stożków wulkanicznych , wydm lub teras aluwialnych . Górnych poziomów gleby może brakować w glebach ściętych po ablacji wiatru lub wody, z jednoczesnym zakopywaniem poziomów gleby w dół zbocza, co jest naturalnym procesem pogarszanym przez praktyki rolnicze, takie jak uprawa roli. Wzrost drzew jest kolejnym źródłem zakłóceń, tworząc heterogeniczność w mikroskali, która jest nadal widoczna w poziomach glebowych po obumarciu drzew. Przechodząc od jednego horyzontu do drugiego, od góry do dołu profilu glebowego, cofamy się w czasie, a wydarzenia z przeszłości rejestrowane są w poziomach glebowych, podobnie jak w warstwach osadów . Pobieranie próbek pyłku , ameby testate i szczątki roślin w poziomach glebowych mogą pomóc w ujawnieniu zmian środowiskowych (np. zmiany klimatu, zmiany użytkowania gruntów ), jakie zaszły w trakcie formowania się gleby. Horyzonty glebowe można datować kilkoma metodami, takimi jak radiowęglowy , przy użyciu kawałków węgla drzewnego, pod warunkiem, że są one wystarczająco duże, aby uniknąć pedoturbacji spowodowanej działalnością dżdżownic i innymi zakłóceniami mechanicznymi. Skamieniałe poziomy gleby z paleozoli można znaleźć w sekwencjach skał osadowych , co pozwala na badanie przeszłych środowisk.

Wystawienie materiału macierzystego na sprzyjające warunki powoduje powstanie gleb mineralnych, które są marginalnie odpowiednie dla wzrostu roślin, jak ma to miejsce w przypadku gleb erodowanych. W wyniku wzrostu roślinności powstają pozostałości organiczne, które opadają na ziemię jako ściółka na nadziemne części roślin (ściółka liściasta) lub są bezpośrednio wytwarzane pod ziemią na organy roślin podziemnych (ściółka korzeniowa), a następnie uwalniają rozpuszczoną materię organiczną . Pozostała powierzchowna warstwa organiczna, zwana horyzontem O , wytwarza bardziej aktywną glebę dzięki działaniu żyjących w niej organizmów. Organizmy kolonizują i rozkładają materiały organiczne, udostępniając składniki odżywcze, na których mogą żyć inne rośliny i zwierzęta. Po odpowiednim czasie próchnica przesuwa się w dół i osadza się w charakterystycznej organiczno-mineralnej warstwie powierzchniowej zwanej horyzontem A, w której materia organiczna miesza się z materią mineralną w wyniku aktywności zwierząt ryjących, procesu zwanego pedoturbacją. Ten naturalny proces nie przebiega do końca w obecności warunków szkodliwych dla życia glebowego, takich jak silna kwasowość, zimny klimat czy zanieczyszczenie, wynikające z nagromadzenia nierozłożonej materii organicznej w jednym poziomie organicznym pokrywającym glebę mineralną oraz z nawarstwiania się zhumifikowanych gleb. materii organicznej i cząstek mineralnych, bez dokładnego wymieszania, w leżących poniżej warstwach mineralnych.

Klasyfikacja

Jeden z pierwszych systemów klasyfikacji gleb został opracowany około 1880 r. przez rosyjskiego naukowca Wasilija Dokuczajewa . Był on wielokrotnie modyfikowany przez badaczy amerykańskich i europejskich i rozwinął się w system powszechnie stosowany do lat 60. XX wieku. Opiera się na założeniu, że gleby mają określoną morfologię w oparciu o materiały i czynniki, które je tworzą. W latach sześćdziesiątych XX wieku zaczął pojawiać się inny system klasyfikacji, który skupiał się na morfologii gleby zamiast na materiałach macierzystych i czynnikach glebotwórczych. Od tego czasu przechodził kolejne modyfikacje. Światowa baza referencyjna zasobów glebowych ma na celu ustanowienie międzynarodowej bazy odniesienia dla klasyfikacji gleby.

Używa

Gleba jest wykorzystywana w rolnictwie, gdzie służy jako kotwica i podstawowa baza odżywcza dla roślin. Rodzaje gleby i dostępna wilgotność determinują gatunki roślin, które można uprawiać. Gleboznawstwo rolnicze było pierwotną dziedziną wiedzy o glebie na długo przed pojawieniem się pedologii w XIX wieku. Jednak, jak wykazały aeroponika , akwaponika i hydroponika , materiał glebowy nie jest absolutnie niezbędny dla rolnictwa, a bezglebowe systemy upraw zostały uznane za przyszłość rolnictwa dla niekończącej się rosnącej ludzkości.

Materiał glebowy jest również kluczowym składnikiem w przemyśle wydobywczym, budowlanym i kształtowania krajobrazu. Gleba służy jako podstawa dla większości projektów budowlanych. Ruch ogromnych ilości gleby może być związany z górnictwem odkrywkowym , budową dróg i budową zapór . Osłony ziemne to praktyka architektoniczna polegająca na wykorzystaniu gruntu jako zewnętrznej masy termicznej ścian budynków. Wiele materiałów budowlanych jest opartych na glebie. Utrata gleby w wyniku urbanizacji rośnie w szybkim tempie na wielu obszarach i może mieć kluczowe znaczenie dla jej utrzymania rolnictwo na własne potrzeby .

Zasoby glebowe mają kluczowe znaczenie dla środowiska, a także dla produkcji żywności i włókien, wytwarzając 98,8% żywności spożywanej przez ludzi. Gleba dostarcza minerały i wodę roślinom zgodnie z kilkoma procesami związanymi z odżywianiem roślin. Gleba wchłania wodę deszczową i uwalnia ją później, zapobiegając w ten sposób powodziom i suszom, a regulacja przeciwpowodziowa jest jedną z głównych usług ekosystemowych zapewnianych przez glebę. Gleba oczyszcza wodę, gdy przez nią przenika. Gleba jest siedliskiem wielu organizmów: większa część znanej i nieznanej różnorodności biologicznej występuje w glebie, w postaci dżdżownic, stonogów , krocionogów , stonogi , ślimaki , ślimaki , roztocza , skoczogonki , wazonkowce , nicienie , protisty ), bakterie, archeony , grzyby i algi ; a większość organizmów żyjących nad ziemią ma część ( rośliny ) lub spędza część swojego cyklu życiowego ( owady ) pod ziemią. Bioróżnorodność nadziemna i podziemna są ze sobą ściśle powiązane, co zapewnia ochronę gleby ma ogromne znaczenie dla każdego planu odbudowy lub konserwacji .

Biologiczny składnik gleby jest niezwykle ważnym pochłaniaczem dwutlenku węgla, ponieważ około 57% zawartości biotycznej to węgiel. Nawet na pustyniach sinice, porosty i mchy tworzą biologiczne skorupy glebowe , które wychwytują i sekwestrują znaczne ilości węgla w procesie fotosyntezy . Złe metody uprawy i wypasu spowodowały degradację gleb i uwolnienie dużej części tego sekwestrowanego węgla do atmosfery. Odbudowa gleb na świecie mogłaby zrównoważyć skutki wzrostu emisji gazów cieplarnianych i spowolnienie globalnego ocieplenia, przy jednoczesnej poprawie plonów i zmniejszeniu zapotrzebowania na wodę.

Gospodarka odpadami często obejmuje glebę. Pola drenażu szamba oczyszczają ścieki ze szamba za pomocą tlenowych procesów glebowych. Stosowanie ścieków na lądzie opiera się na biologii gleby w celu tlenowego oczyszczania BZT . Alternatywnie, składowiska wykorzystują glebę do codziennego przykrycia , izolując osady odpadów od atmosfery i zapobiegając powstawaniu nieprzyjemnych zapachów. Kompostowanie jest obecnie szeroko stosowane do przetwarzania tlenowych stałych odpadów domowych i wysuszonych ścieków z osadników . Chociaż kompost nie jest glebą, procesy biologiczne zachodzące podczas kompostowania są podobne do zachodzących podczas rozkładu i humifikacji glebowej materii organicznej.

Gleby organiczne, zwłaszcza torfowe, są ważnym surowcem paliwowym i ogrodniczym . Gleby torfowe są również powszechnie wykorzystywane w rolnictwie w krajach nordyckich, ponieważ torfowiska po osuszeniu zapewniają żyzne gleby do produkcji żywności. Jednak rozległe obszary produkcji torfu, takie jak torfowiska zasilane deszczem , zwane także torfowiskami wierzchowinowymi lub torfowiskami wysokimi , są obecnie chronione ze względu na ich znaczenie patrymonialne . Na przykład Flow Country , obejmujący 4000 kilometrów kwadratowych pofałdowanych torfowisk w Szkocji, jest obecnie kandydatem do wpisania na Listę Światowego Dziedzictwa . Uważa się, że w warunkach obecnego globalnego ocieplenia gleby torfowe są zaangażowane w samonapędzający się (dodatnie sprzężenie zwrotne) proces zwiększonej emisji gazów cieplarnianych (metanu i dwutlenku węgla) oraz wzrostu temperatury, co jest nadal przedmiotem dyskusji po zastąpieniu w terenie skalę, w tym stymulowany wzrost roślin.

Geofagia to praktyka zjadania substancji przypominających glebę. Zarówno zwierzęta, jak i ludzie czasami konsumują glebę do celów leczniczych, rekreacyjnych lub religijnych. Wykazano, że niektóre małpy spożywają glebę wraz z preferowanym pokarmem ( liście drzew i owoce ), aby złagodzić toksyczność garbników.

Gleby filtrują i oczyszczają wodę oraz wpływają na jej skład chemiczny. Wody deszczowe i wody zastoiskowe ze stawów, jezior i rzek przenikają przez poziomy gleby i górne warstwy skalne , stając się w ten sposób wodami gruntowymi . Szkodniki ( wirusy ) i zanieczyszczenia , takie jak trwałe zanieczyszczenia organiczne ( chlorowane pestycydy , polichlorowane bifenyle ), oleje ( węglowodory ), metale ciężkie ( ołów , cynk, kadm ) i nadmiar składników odżywczych (azotany, siarczany) , fosforany) są filtrowane przez glebę. Organizmy glebowe metabolizują je lub unieruchamiają w swojej biomasie i nekromasie, włączając je w ten sposób do stabilnej próchnicy. Fizyczna integralność gleby jest również warunkiem wstępnym unikania osuwisk w nierównych krajobrazach.

Degradacja

Degradacja gruntów jest wywołanym przez człowieka lub naturalnym procesem, który upośledza zdolność gruntów do funkcjonowania. Degradacja gleby obejmuje zakwaszenie , zanieczyszczenie , pustynnienie , erozję lub zasolenie .

Zakwaszenie

Zakwaszenie gleb jest korzystne w przypadku gleb alkalicznych , ale degraduje glebę, gdy obniża produktywność roślin , aktywność biologiczną gleby oraz zwiększa podatność gleby na zanieczyszczenie i erozję. Gleby są początkowo kwaśne i pozostają takie, gdy ich materiał macierzysty ma niską zawartość kationów zasadowych (wapnia, magnezu, potasu i sodu ). Na materiałach macierzystych bogatszych w minerały zwietrzałe zakwaszanie następuje w wyniku wypłukiwania kationów zasadowych z profilu glebowego w wyniku opadów deszczu lub wywiezione w wyniku zbiorów leśnych lub upraw rolnych. Zakwaszanie gleb jest przyspieszane przez stosowanie zakwaszających nawozów azotowych oraz działanie kwaśnych opadów atmosferycznych . Wylesianie to kolejna przyczyna zakwaszenia gleby, w której pośredniczy zwiększone wypłukiwanie składników odżywczych z gleby przy braku koron drzew .

Zanieczyszczenie

Zanieczyszczenie gleby na niskim poziomie często mieści się w zakresie zdolności gleby do przetwarzania i asymilacji odpadów . Biota glebowa może przetwarzać odpady, przekształcając je, głównie poprzez aktywność enzymatyczną drobnoustrojów. Materia organiczna gleby i minerały glebowe mogą adsorbować materiał odpadowy i zmniejszać jego toksyczność , chociaż w postaci koloidalnej mogą przenosić zaadsorbowane zanieczyszczenia do środowisk podpowierzchniowych. Wiele procesów przetwarzania odpadów opiera się na tej naturalnej bioremediacji pojemność. Przekroczenie zdolności oczyszczania może uszkodzić faunę i florę gleby i ograniczyć funkcję gleby. Gleby opuszczone występują tam, gdzie zanieczyszczenia przemysłowe lub inne działania rozwojowe niszczą glebę w takim stopniu, że nie można ich bezpiecznie ani produktywnie użytkować. Rekultywacja opuszczonej gleby wykorzystuje zasady geologii, fizyki, chemii i biologii w celu degradacji, osłabienia, izolacji lub usunięcia zanieczyszczeń gleby w celu przywrócenia jej funkcji i wartości. Techniki obejmują ługowanie , napowietrzanie , ulepszanie gleby , fitoremediację , bioremediację i Monitorowane naturalne tłumienie . Przykładem rozproszonego zanieczyszczenia zanieczyszczeniami jest akumulacja miedzi w winnicach i sadach , na które wielokrotnie stosuje się fungicydy, nawet w rolnictwie ekologicznym .

Mikrowłókna z tekstyliów syntetycznych to kolejny rodzaj plastikowego zanieczyszczenia gleby. 100% próbek gleby rolniczej z południowo-zachodnich Chin zawierało cząsteczki plastiku, z których 92% stanowiły mikrowłókna. Źródła mikrowłókien prawdopodobnie obejmowały sznurek lub sznurek, a także wodę do nawadniania, w której prano ubrania.

Stosowanie biosolidów z osadów ściekowych i kompostu może wprowadzać mikrodrobiny plastiku do gleb. Zwiększa to obciążenie mikrodrobinami plastiku z innych źródeł (np. z atmosfery). Około połowa osadów ściekowych w Europie i Ameryce Północnej jest stosowana na gruntach rolnych. Szacuje się, że w Europie na każdy milion mieszkańców każdego roku dodaje się do gleb rolniczych od 113 do 770 ton mikrodrobin plastiku.

Pustynnienie

Pustynnienie , środowiskowy proces degradacji ekosystemów w regionach suchych i półpustynnych, jest często spowodowane źle przystosowaną działalnością człowieka, taką jak nadmierny wypas lub nadmierne pozyskiwanie drewna opałowego . Powszechnym błędem jest przekonanie, że susza powoduje pustynnienie. Susze są powszechne na terenach suchych i półpustynnych. Dobrze zarządzane grunty mogą odbudować się po suszy, gdy powrócą deszcze. Zarządzanie glebą narzędzia obejmują utrzymanie poziomu składników odżywczych w glebie i materii organicznej, zmniejszoną uprawę i zwiększenie pokrywy. Praktyki te pomagają kontrolować erozję i utrzymać produktywność w okresach, gdy dostępna jest wilgoć. Ciągłe wykorzystywanie gruntów podczas susz zwiększa jednak degradację gruntów . Zwiększona presja ludności i zwierząt gospodarskich na tereny marginalne przyspiesza pustynnienie. Obecnie kwestionuje się, czy obecne ocieplenie klimatu będzie sprzyjać pustynnieniu, czy też nie, ze sprzecznymi doniesieniami o przewidywanych trendach opadów związanych ze wzrostem temperatury i dużymi rozbieżnościami między regionami, nawet w tym samym kraju.

Erozja

Zapobieganie erozji

Erozja gleby jest spowodowana przez wodę , wiatr , lód i ruch w odpowiedzi na grawitację . Jednocześnie może wystąpić więcej niż jeden rodzaj erozji. Erozję odróżnia się od wietrzenia , ponieważ erozja przenosi również zerodowaną glebę z dala od miejsca jej pochodzenia (gleba w transporcie może być opisana jako osad ). Erozja jest nieodłącznym procesem naturalnym, ale w wielu miejscach jest znacznie zwiększana przez działalność człowieka, zwłaszcza przez nieodpowiednie praktyki użytkowania gruntów. Należą do nich rolnictwo czynności, które pozostawiają odkrytą glebę w czasie ulewnych deszczy lub silnych wiatrów, nadmiernego wypasu , wylesiania i niewłaściwych prac budowlanych . Lepsze zarządzanie może ograniczyć erozję. Stosowane techniki ochrony gleby obejmują zmiany w użytkowaniu gruntów (takie jak zastąpienie upraw podatnych na erozję trawą lub innymi roślinami wiążącymi glebę), zmiany w czasie lub rodzaju prac rolniczych, budowanie tarasów , stosowanie powstrzymujących erozję materiałów pokrywających ( łącznie z uprawami okrywowymi i inne rośliny), ograniczenie zakłóceń podczas budowy i unikanie budowy w okresach podatnych na erozję oraz w miejscach podatnych na erozję, takich jak strome zbocza. Z historycznego punktu widzenia jednym z najlepszych przykładów erozji gleby na dużą skalę spowodowanej nieodpowiednimi praktykami użytkowania gruntów jest erozja wietrzna ( tzw . z obu krajów osiedlili się i przekształcili pierwotną prerię krótkotrawną pod uprawy rolne i hodowlę bydła .

Poważny i długotrwały problem erozji wodnej występuje w Chinach , w środkowym biegu Żółtej Rzeki iw górnym biegu rzeki Jangcy . Z Żółtej Rzeki co roku do oceanu wpływa ponad 1,6 miliarda ton osadów. Osady pochodzą głównie z erozji wodnej (erozji żlebowej) w płaskowyżu lessowego w północno-zachodnich Chinach.

Rurociągi glebowe to szczególna forma erozji gleby, która występuje pod powierzchnią gleby. Powoduje wałów przeciwpowodziowych i zapór, a także tworzenie się zapadlisk . Przepływ turbulentny usuwa glebę, zaczynając od ujścia wyciekowego , a erozja podłoża postępuje w górę. Termin gotowanie piaskowe jest używany do opisania wyglądu końca rozładowującego aktywną rurę kanalizacyjną.

Zasolenie

Zasolenie gleb to nagromadzenie wolnych soli w takim stopniu, że prowadzi do degradacji wartości rolniczej gleb i roślinności. Konsekwencje obejmują korozją , zmniejszony wzrost roślin, erozję spowodowaną utratą pokrywy roślinnej i struktury gleby oraz problemy z jakością wody spowodowane sedymentacją . Zasolenie występuje w wyniku połączenia procesów naturalnych i spowodowanych przez człowieka. Suche warunki sprzyjają gromadzeniu się soli. Jest to szczególnie widoczne, gdy materiał macierzysty gleby jest zasolony. Nawadnianie suchych terenów jest szczególnie problematyczne. Wszystkie wody do nawadniania mają pewien poziom zasolenia. Nawadnianie, zwłaszcza gdy wiąże się z wyciekami z kanałów i nadmiernym nawadnianiem na polu, często podnosi poziom wód gruntowych . Szybkie zasolenie występuje, gdy powierzchnia ziemi znajduje się w kapilarnym obrzeżu słonych wód gruntowych. Kontrola zasolenia gleby obejmuje kontrolę lustra wody i spłukiwanie wyższymi poziomami stosowanej wody w połączeniu z drenażem płytkowym lub inną formą drenażu podpowierzchniowego .

Regeneracja

Gleby, które zawierają duże ilości określonych iłów o wysokich właściwościach pęczniejących, takich jak smektyty , są często bardzo żyzne. Na przykład bogate w smektyt ryżowe na Centralnych Równinach Tajlandii należą do najbardziej produktywnych na świecie. Jednak nadmierne stosowanie mineralnych nawozów azotowych i pestycydów w intensywnej nawadnianej uprawie ryżu zagroziło tym glebom, zmuszając rolników do wdrożenia zintegrowanych praktyk opartych na zasadach operacyjnych redukcji kosztów.

Jednak wielu rolników na obszarach tropikalnych ma trudności z zatrzymaniem materii organicznej i gliny w glebie, na której pracują. Na przykład w ostatnich latach wydajność spadła, a erozja gleby na glebach o niskiej zawartości gliny w północnej Tajlandii wzrosła, w następstwie rezygnacji z przestawiania upraw na bardziej trwałe użytkowanie gruntów. Rolnicy początkowo zareagowali, dodając materię organiczną i glinę z z kopca termitów , ale było to nie do utrzymania na dłuższą metę z powodu rozrzedzenia kopców termitów. Naukowcy eksperymentowali z dodaniem bentonitu , jednej z glin z rodziny smektytów, do gleby. W próbach terenowych przeprowadzonych przez naukowców z Międzynarodowego Instytutu Gospodarki Wodnej (IWMI) we współpracy z Uniwersytetem Khon Kaen i lokalnymi rolnikami pomogło to zatrzymać wodę i składniki odżywcze. Uzupełnienie zwykłej praktyki rolnika o jednorazową aplikację 200 kilogramów bentonitu na rai (1300 kg / ha; 1100 funtów / akr) spowodowało średni wzrost plonów o 73%. Inne badania wykazały, że stosowanie bentonitu na zdegradowanych glebach piaszczystych zmniejsza ryzyko nieurodzaju w latach suszy.

W 2008 roku, trzy lata po pierwszych próbach, naukowcy IWMI przeprowadzili ankietę wśród 250 rolników w północno-wschodniej Tajlandii, z których połowa stosowała bentonit na swoich polach. Średnia poprawa dla osób stosujących dodatek glinki była o 18% wyższa niż dla użytkowników bez glinki. Użycie gliny umożliwiło niektórym rolnikom przestawienie się na uprawę warzyw, które potrzebują bardziej żyznej gleby. Pomogło to zwiększyć ich dochody. Naukowcy oszacowali, że 200 rolników w północno-wschodniej Tajlandii i 400 w Kambodży przyjęło stosowanie gliny, a kolejne 20 000 rolników zapoznało się z nową techniką.

Jeśli gleba jest zbyt bogata w glinę lub sole (np. zasolona gleba sodowa ), dodanie gipsu, wypłukanego piasku rzecznego i materii organicznej (np. stałe odpady komunalne ) zrównoważy skład.

Dodanie materii organicznej, takiej jak zrębki ramialowe lub kompost , do gleby, która jest zubożona w składniki odżywcze i zbyt bogata w piasek, poprawi jej jakość i poprawi produkcję.

Na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie węgla drzewnego , a bardziej ogólnie biowęgla do poprawy ubogich w składniki odżywcze gleb tropikalnych, procesu opartego na wyższej żyzności antropogenicznych prekolumbijskich ciemnych ziem amazońskich , zwanych także Terra Preta de Índio, ze względu na interesujące właściwości fizyczne i właściwości chemiczne sadzy glebowej jako źródła stabilnej próchnicy. Jednak niekontrolowane stosowanie zwęglonych produktów odpadowych wszelkiego rodzaju może stanowić zagrożenie dla życia w glebie i zdrowia ludzi.

Historia studiów i badań

Historia badań gleby jest ściśle związana z pilną potrzebą ludzi, aby zapewnić sobie pożywienie i paszę dla swoich zwierząt. Na przestrzeni dziejów cywilizacje prosperowały lub upadały w zależności od dostępności i produktywności ich gleb.

Badania żyzności gleby

Greckiemu historykowi Ksenofontowi (450-355 p.n.e. ) przypisuje się, że jako pierwszy wyjaśnił zalety upraw na zielony nawóz: „Ale jakiekolwiek chwasty są na ziemi, zamieniając się w ziemię, wzbogacają glebę tak bardzo, jak gnój. '

Columella 's O hodowli , około 60 roku n.e. , opowiadał się za używaniem wapna oraz za odrzucaniem koniczyny i lucerny ( zielonego nawozu ) i był używany przez 15 pokoleń (450 lat) pod Cesarstwem Rzymskim , aż do jego upadku. Od upadku Rzymu do Rewolucji Francuskiej wiedza o glebie i rolnictwie była przekazywana z rodziców na dzieci, w wyniku czego plony były niskie. Podczas europejskiego średniowiecza Yahya Ibn al-'Awwam podręcznik, kładący nacisk na irygację, był przewodnikiem dla mieszkańców Afryki Północnej, Hiszpanii i Bliskiego Wschodu ; tłumaczenie tej pracy zostało ostatecznie przewiezione na południowy zachód Stanów Zjednoczonych, gdy znajdowały się pod wpływem hiszpańskim. Olivier de Serres , uważany za ojca agronomii francuskiej , jako pierwszy zaproponował rezygnację z odłogowania i zastąpienie go łąkami kośnymi w ramach płodozmianu . Podkreślił również znaczenie gleby ( terroir francuski ) w zarządzaniu winnicami. Jego słynna książka Le Théâtre d'Agriculture et mesnage des champs przyczyniło się do powstania nowoczesnego, zrównoważonego rolnictwa i upadku starych praktyk rolniczych, takich jak poprawianie gleby pod uprawy poprzez usuwanie ściółki leśnej i assarting , które zrujnowały gleby Europy Zachodniej w okresie Średniowiecze, a nawet później według regionów.

Eksperymenty nad tym, co sprawia, że rośliny rosną, najpierw doprowadziły do pomysłu, że popiół pozostawiony podczas spalania materii roślinnej był niezbędnym elementem, ale pominięto rolę azotu, który nie pozostaje na ziemi po spaleniu, przekonanie, które dominowało aż do XIX wieku . Około 1635 roku flamandzki chemik Jan Baptist van Helmont sądził, że udowodnił, że woda jest niezbędnym elementem w swoim słynnym pięcioletnim eksperymencie z wierzbą rosnącą tylko z dodatkiem wody deszczowej. Jego wniosek wynikał z faktu, że wzrost masy rośliny był najwyraźniej spowodowany jedynie dodatkiem wody, bez zmniejszenia masy gleby. John Woodward ( zm. 1728) eksperymentował z różnymi rodzajami wody, od czystej do błotnistej, i stwierdził, że najlepsza jest woda błotna, i doszedł do wniosku, że materia ziemska jest podstawowym elementem. Inni doszli do wniosku, że to próchnica w glebie przekazała trochę esencji rosnącej roślinie. Jeszcze inni utrzymywali, że zasadą żywotnego wzrostu jest coś, co przechodzi z martwych roślin lub zwierząt na nowe rośliny. Na początku XVIII wieku Jethro Tull wykazał, że uprawa (mieszanie) gleby jest korzystna, ale jego opinia, że mieszanie udostępnia drobne partie gleby do wchłaniania przez rośliny, była błędna.

Wraz z rozwojem chemii zastosowano ją do badania żyzności gleby. Francuski chemik Antoine Lavoisier wykazał około 1778 r., że rośliny i zwierzęta, aby żyć, muszą wewnętrznie spalać tlen. Był w stanie wywnioskować, że większość 165-funtowej (75 kg) masy wierzby van Helmonta pochodzi z powietrza. Dopiero francuski rolnik Jean-Baptiste Boussingault w drodze eksperymentów uzyskał dowody wskazujące, że głównymi źródłami węgla, wodoru i tlenu dla roślin są powietrze i woda, podczas gdy azot pochodzi z gleby. Justus von Liebig w swojej książce Chemia organiczna w zastosowaniach w rolnictwie i fizjologii (opublikowana w 1840 r.) twierdziła, że substancje chemiczne w roślinach musiały pochodzić z gleby i powietrza oraz że w celu utrzymania żyzności gleby należy uzupełnić zużyte minerały. Mimo to Liebig uważał, że azot jest dostarczany z powietrza. Wzbogacanie gleby w guano przez Inków zostało ponownie odkryte w 1802 roku przez Alexandra von Humboldta . Doprowadziło to do wydobycia go i chilijskiego azotanu oraz do zastosowania go w glebie w Stanach Zjednoczonych i Europie po 1840 roku.

Praca Liebiga była rewolucją dla rolnictwa, więc inni badacze rozpoczęli oparte na niej eksperymenty. W Anglii John Bennet Lawes i Joseph Henry Gilbert pracowali w Stacji Eksperymentalnej Rothamsted , założonej przez tego pierwszego, i (ponownie) odkryli, że rośliny pobierają azot z gleby i że sole muszą być dostępne, aby mogły zostać wchłonięte przez rośliny. Ich badania dały również superfosfat , polegający na kwasowaniu fosforytów. Doprowadziło to do wynalezienia i zastosowania soli potasu (K) i azotu (N) jako nawozów. Amoniak powstający przy produkcji koksu był odzyskiwany i wykorzystywany jako nawóz. Wreszcie poznano chemiczne podstawy składników odżywczych dostarczanych do gleby w oborniku iw połowie XIX wieku zastosowano nawozy chemiczne. Jednak dynamiczna interakcja między glebą a jej formami życia wciąż nie została poznana.

W 1856 roku J. Thomas Way odkrył, że amoniak zawarty w nawozach jest przekształcany w azotany, a dwadzieścia lat później Robert Warington udowodnił, że przemiany tej dokonują organizmy żywe. W 1890 roku Siergiej Winogradski ogłosił, że znalazł bakterię odpowiedzialną za tę przemianę.

Wiadomo było, że niektóre rośliny strączkowe mogą pobierać azot z powietrza i wiązać go w glebie, ale dopiero rozwój bakteriologii pod koniec XIX wieku doprowadził do zrozumienia roli odgrywanej przez bakterie w wiązaniu azotu. Symbiozę bakterii i korzeni roślin strączkowych oraz wiązanie azotu przez bakterie odkryli jednocześnie niemiecki agronom Hermann Hellriegel i holenderski mikrobiolog Martinus Beijerinck .

Płodozmian, mechanizacja, nawozy chemiczne i naturalne doprowadziły do podwojenia plonów pszenicy w Europie Zachodniej w latach 1800-1900.

Badania glebotwórcze

Naukowcy badający glebę w związku z praktykami rolniczymi traktowali ją głównie jako podłoże statyczne. Jednak gleba jest wynikiem ewolucji z bardziej starożytnych materiałów geologicznych, pod wpływem procesów biotycznych i abiotycznych. Po rozpoczęciu badań nad ulepszaniem gleb inni badacze zaczęli badać genezę gleb, a co za tym idzie także rodzaje i klasyfikacje gleb.

W 1860 roku, będąc w Mississippi, Eugene W. Hilgard (1833–1916) badał związek między materiałem skalnym, klimatem, roślinnością i rodzajem gleb, które się rozwinęły. Zdał sobie sprawę, że gleby są dynamiczne i rozważał klasyfikację typów gleb. Niestety jego dzieło nie było kontynuowane. Mniej więcej w tym samym czasie Friedrich Albert Fallou opisywał profile gleb i wiązał cechy gleb z ich powstawaniem w ramach swojej pracy zawodowej oceniającej lasy i grunty rolne dla Księstwa Saksonii . Jego książka z 1857 r., Anfangsgründe der Bodenkunde (Pierwsze zasady gleboznawstwa) ustanowiły nowoczesną gleboznawstwo. Równocześnie z pracami Fallou i kierując się tą samą potrzebą dokładnego oszacowania gruntów pod kątem sprawiedliwego opodatkowania, Wasilij Dokuczajew przewodził zespołowi naukowców zajmujących się glebą w Rosji, którzy przeprowadzili szeroko zakrojone badania gleb, zauważając, że podobne podstawowe skały, klimat i typy roślinności prowadzą do podobnych warstwy i rodzaje gleby oraz ustalił koncepcje klasyfikacji gleby. Ze względu na bariery językowe prace tego zespołu zostały przekazane Europie Zachodniej dopiero w 1914 r. poprzez publikację w języku niemieckim autorstwa Konstantego Glinki , członka zespołu rosyjskiego.

Curtis F. Marbut , pod wpływem pracy zespołu rosyjskiego, przetłumaczył publikację Glinki na język angielski, a ponieważ objął kierownictwo US National Cooperative Soil Survey , zastosował ją w krajowym systemie klasyfikacji gleby.

Zobacz też

Źródła

, United Nations Environment Programme. Ten artykuł zawiera tekst z bezpłatnej pracy nad treścią. Licencjonowany na licencji Cc BY-SA 3.0 IGO ( oświadczenie licencyjne/pozwolenie ). Tekst zaczerpnięty z publikacji „Drowning in Plastics – Marine Litter and Plastic Waste Vital Graphics” <a i=6>, Aby dowiedzieć się, jak dodać tekst otwartej licencji do artykułów Wikipedii, zobacz tę stronę z instrukcjami . Aby uzyskać informacje na temat ponownego wykorzystywania tekstu z Wikipedii , zapoznaj się z warunkami użytkowania .

Bibliografia

Donahue, Roy Luter; Miller, Raymond W.; Shickluna, John C. (1977). Gleby: wprowadzenie do gleb i wzrostu roślin . Prentice Hall . ISBN 978-0-13-821918-5 .
„Mistrz ogrodnictwa z Arizony” . Cooperative Extension, College of Agriculture, University of Arizona . Źródło 27 maja 2013 r .
Stefferud, Alfred, wyd. (1957). Gleba: Rocznik Rolniczy 1957 . Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych. OCLC 704186906 .
- Kellogga. „ Szukamy, uczymy się ”. W Stefferud (1957) .
- Simonsona. „ Czym są gleby ”. W Stefferud (1957) .
- Russella. „ Właściwości fizyczne ”. W Stefferud (1957) .
- Dziekan. „ Odżywianie roślin i żyzność gleby ”. W Stefferud (1957) .
- Russella. „ Bor i żyzność gleby ”. W Stefferud (1957) .

Dalsza lektura

Soil-Net.com zarchiwizowane 10 lipca 2008 r. w Wayback Machine Bezpłatna witryna edukacyjna dla uczniów, ucząca o glebie i jej znaczeniu.
Adams, JA 1986. Brud . College Station, Teksas: Texas A&M University Press ISBN 0-89096-301-0
Certini, G., Scalenghe, R. 2006. Gleby: podstawowe pojęcia i przyszłe wyzwania. Cambridge Univ Press, Cambridge.
David R. Montgomery , Brud: erozja cywilizacji , ISBN 978-0-520-25806-8
Faulkner, Edward H. 1943. Szaleństwo oracza. Nowy Jork, Grosset i Dunlap. ISBN 0-933280-51-3
LandIS Free Soilscapes Viewer Darmowa interaktywna przeglądarka gleb Anglii i Walii
Jenny, Hans. 1941. Czynniki glebotwórcze: system ilościowej pedologii
Logan, WB 1995. Brud: ekstatyczna skóra ziemi. ISBN 1-57322-004-3
Mann, Charles C. wrzesień 2008. „Nasza dobra ziemia” Magazyn National Geographic
„97 Powódź” . USGS. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 24 czerwca 2008 r . . Źródło 8 lipca 2008 r . Fotografie wrzenia piasku.
Pracownicy Wydziału Geodezji Gleboznawczej. 1999. Podręcznik badania gleby . Służba Ochrony Gleby. Podręcznik Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych 18.
Personel badania gleby. 1975. Taksonomia gleby: podstawowy system klasyfikacji gleby do wykonywania i interpretacji badań glebowych. Rolnictwo USDA-SCS. Handb. 436. Drukarnia rządu Stanów Zjednoczonych, Waszyngton, DC.
Gleby (Dopasowanie odpowiednich gatunków paszy do rodzaju gleby) , Oregon State University
Gardiner, Duane T. „Wykład 1 Rozdział 1 Dlaczego warto badać gleby?” . ENV320: Notatki z wykładów z nauk o glebie . Texas A&M University-Kingsville. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 9 lutego 2018 r . . Źródło 7 stycznia 2019 r .
Janek, Jules. 2002. Notatki dotyczące gleby , Purdue University
Dane LandIS dotyczące gleb dla Anglii i Walii Zarchiwizowane 16 lipca 2007 r. w Wayback Machine, płatne źródło danych GIS dotyczących gleb Anglii i Walii oraz źródło danych dotyczących gleb; pobierają od naukowców opłatę manipulacyjną.

Linki zewnętrzne