Różnorodność biologiczna gleby
Różnorodność biologiczna gleby odnosi się do stosunku gleby do różnorodności biologicznej oraz do aspektów gleby, którymi można zarządzać w odniesieniu do różnorodności biologicznej. Różnorodność biologiczna gleby wiąże się z niektórymi zlewnią .
Różnorodność biologiczna
Według australijskiego Departamentu Środowiska i Zasobów Wodnych różnorodność biologiczna to „różnorodność życia: różne rośliny, zwierzęta i mikroorganizmy, ich geny i ekosystemy, których są częścią”. Różnorodność biologiczna i gleba są ze sobą silnie powiązane, ponieważ gleba jest pożywką dla wielu różnych organizmów i ściśle oddziałuje z szerszą biosferą . I odwrotnie, aktywność biologiczna jest głównym czynnikiem fizycznego i chemicznego tworzenia gleb.
Gleba stanowi ważne siedlisko , głównie dla drobnoustrojów (w tym bakterii i grzybów ), ale także dla mikrofauny (takiej jak pierwotniaki i nicienie ), mezofauny (takiej jak mikrostawonogi i wazonkowce) oraz makrofauny (takiej jak dżdżownice , termity i krocionogi ). Podstawową rolą flory i fauny glebowej jest recykling materii organicznej pochodzącej z „naziemnej roślinnej sieci pokarmowej”.
Gleba ściśle współpracuje z szerszą biosferą. Utrzymanie żyznej gleby jest „jedną z najważniejszych usług ekologicznych , jakie spełnia żywy świat”, a „mineralne i organiczne składniki gleby muszą być stale uzupełniane, ponieważ rośliny zużywają składniki gleby i przekazują je w górę łańcucha pokarmowego ” .
Korelację gleby i różnorodności biologicznej można zaobserwować przestrzennie. Na przykład granice roślinności naturalnej i rolniczej ściśle odpowiadają granicom gleby, nawet w skali kontynentalnej i globalnej.
„Subtelna synchronizacja” to sposób, w jaki Baskin (1997) opisuje związek istniejący między glebą a różnorodnością życia, nad i pod ziemią. Nic dziwnego, że gospodarowanie glebą ma bezpośredni wpływ na różnorodność biologiczną. Obejmuje to praktyki, które wpływają na objętość, strukturę, właściwości biologiczne i chemiczne gleby oraz czy gleba wykazuje niekorzystne skutki, takie jak zmniejszona żyzność , zakwaszenie gleby lub zasolenie .
Efekty procesu
Zakwaszenie
Kwasowość (lub zasadowość) gleby to stężenie jonów wodoru (H + ) w glebie. Mierzona w pH kwasowość gleby jest niewidocznym stanem, który bezpośrednio wpływa na żyzność i toksyczność gleby , określając, które pierwiastki w glebie są dostępne do wchłaniania przez rośliny. Wzrost zakwaszenia gleby spowodowany jest usuwaniem płodów rolnych z padoku, wypłukiwaniem azotu w postaci azotanów poniżej strefy korzeniowej, niewłaściwym stosowaniem nawozów azotowych oraz gromadzeniem się materia organiczna . Wiele gleb w australijskim stanie Victoria jest naturalnie kwaśnych; jednak około 30 000 kilometrów kwadratowych, czyli 23% gleb rolniczych Wiktorii, cierpi z powodu zmniejszonej produktywności z powodu zwiększonej kwasowości. Zaobserwowano, że kwasowość gleby uszkadza korzenie roślin. Rośliny o wyższej kwasowości mają mniejsze, mniej trwałe korzenie. Niektóre dowody wykazały, że kwasowość uszkadza końcówki korzeni, ograniczając dalszy wzrost. Wysokość roślin również uległa znacznemu ograniczeniu, gdy były uprawiane na glebach kwaśnych, jak widać w przypadku pszenicy amerykańskiej i rosyjskiej populacje. Liczba nasion, które są w stanie wykiełkować nawet w kwaśnej glebie, jest znacznie mniejsza niż liczba nasion, które mogą wykiełkować w glebie o bardziej neutralnym pH. Te ograniczenia wzrostu roślin mogą mieć bardzo negatywny wpływ na zdrowie roślin , prowadząc do zmniejszenia ogólnej populacji roślin.
Efekty te występują niezależnie od biomu . Badanie przeprowadzone w Holandii zbadało korelację między pH gleby a różnorodnością biologiczną gleby w glebach o pH poniżej 5. Odkryto silną korelację, w której im niższe pH, tym niższa różnorodność biologiczna. Wyniki były takie same zarówno na łąkach, jak i na wrzosowiskach. Szczególnie niepokojące są dowody wskazujące, że to zakwaszenie jest bezpośrednio związane ze spadkiem liczby zagrożonych gatunków roślin, co jest tendencją obserwowaną od 1950 r.
Zakwaszenie gleby zmniejsza bioróżnorodność gleby. Zmniejsza liczebność większości makrofauny, w tym np. dżdżownic (ważne dla utrzymania jakości strukturalnej wierzchniej warstwy gleby dla wzrostu roślin). Dotyczy to również przeżywalności i trwałości ryzobium . Rozkład i wiązanie azotu może zostać zmniejszone, co wpływa na przetrwanie rodzimej roślinności . Różnorodność biologiczna może dalej spadać, ponieważ niektóre chwasty rozmnażają się pod upadającą rodzimą roślinnością.
W silnie kwaśnych glebach związana z tym toksyczność może prowadzić do zmniejszenia pokrywy roślinnej , pozostawiając glebę podatną na erozję przez wodę i wiatr. Gleby o wyjątkowo niskim pH mogą cierpieć z powodu pogorszenia struktury w wyniku zmniejszonej liczby mikroorganizmów i materii organicznej; powoduje to podatność na erozję w przypadku dużych deszczu , suszy i zakłóceń w rolnictwie.
Niektóre rośliny tego samego gatunku wykazały odporność na kwasowość gleby, w której rośnie ich populacja. Selektywna hodowla silniejszych roślin jest dla ludzi sposobem na ochronę przed rosnącą kwasowością gleby.
Dalsze sukcesy w zwalczaniu zakwaszenia gleby zaobserwowano w populacjach soi i kukurydzy cierpiących na toksyczność glinu . Składniki odżywcze gleby zostały przywrócone, a kwasowość zmniejszyła się, gdy do gleby dodano wapno. W odpowiedzi na zabieg zdrowotność roślin wzrosła, a biomasa korzeni wzrosła. Jest to możliwe rozwiązanie dla innych kwaśnych populacji roślin glebowych
Spadek struktury
Struktura gleby to rozmieszczenie cząstek i związanych z nimi porów w glebie w zakresie wielkości od nanometrów do centymetrów. Można wykazać wpływy biologiczne w tworzeniu i stabilizacji agregatów glebowych, ale konieczne jest wyraźne rozróżnienie między tymi siłami lub czynnikami, które tworzą skupiska cząstek, a tymi, które stabilizują lub degradują takie skupiska. To, co kwalifikuje się jako dobra gleba, zawiera następujące cechy: optymalna wytrzymałość gleby i stabilność agregatów, które zapewniają odporność na degradację strukturalną (zasklepianie/skorupianie, gaszenie i erozja, na przykład); optymalna gęstość nasypowa, która wspomaga rozwój korzeni i wpływa na inne parametry fizyczne gleby, takie jak ruch wody i powietrza w glebie; optymalną zdolność zatrzymywania wody i szybkość infiltracji wody.
Dobrze rozwinięte, zdrowe gleby to złożone systemy, w których fizyczna struktura gleby jest równie ważna jak skład chemiczny. Pory w glebie, które są zmaksymalizowane w dobrze ustrukturyzowanej glebie, umożliwiają przenikanie tlenu i wilgoci do głębi, a korzeniom roślin penetrację w celu uzyskania wilgoci i składników odżywczych.
Aktywność biologiczna pomaga w utrzymaniu stosunkowo otwartej struktury gleby, a także ułatwia rozkład oraz transport i przemiany składników pokarmowych gleby. Wykazano, że zmiana struktury gleby prowadzi do zmniejszenia dostępności niezbędnych substancji dla roślin. Obecnie nie ulega wątpliwości, że wydzieliny drobnoustrojów odgrywają dominującą rolę w agregacji cząstek gleby i ochronie węgla przed dalszą degradacją. Sugerowano, że mikroorganizmy w glebie „konstruują” lepsze siedlisko i zapewniają solidniejszą strukturę gleby, co prowadzi do bardziej produktywnych systemów glebowych.
Tradycyjne praktyki rolnicze generalnie spowodowały pogorszenie struktury gleby. Na przykład uprawa powoduje mechaniczne mieszanie gleby, zagęszczanie i ścinanie agregatów oraz wypełnianie przestrzeni porów – na większe tempo rozkładu i utleniania narażona jest również materia organiczna. Struktura gleby ma zasadnicze znaczenie dla jej zdrowia i żyzności; spadek struktury gleby ma bezpośredni wpływ na łańcuch pokarmowy gleby i powierzchni oraz w konsekwencji na różnorodność biologiczną. Kontynuacja uprawy roślin ostatecznie prowadzi do znacznych zmian w glebie, takich jak jej stan składników odżywczych, równowaga pH, zawartość materii organicznej i właściwości fizyczne. Chociaż niektóre z tych zmian mogą być korzystne dla produkcji żywności i upraw, mogą być również szkodliwe dla innych niezbędnych systemów. Na przykład badania wykazały, że uprawa ma negatywne skutki dla materii organicznej gleby (SOM), organicznego składnika gleby składającego się z rozkładu roślin i zwierząt oraz substancji syntetyzowanych przez organizmy glebowe . SOM odgrywa integralną rolę w zachowaniu struktury gleby, ale ciągła uprawa roślin spowodowała przesunięcie i redystrybucję SOM, powodując pogorszenie struktury gleby i zmianę populacji organizmów glebowych (takich jak dżdżownice). Jednak w wielu częściach świata maksymalizacja produkcji żywności za wszelką cenę z powodu szerzącego się ubóstwa i braku bezpieczeństwa żywnościowego zwykle pomija długoterminowe konsekwencje ekologiczne, pomimo badań i uznania społeczności akademickiej. Płodozmian , dywersyfikacja upraw , międzyplony roślin strączkowych , a wkład organiczny koreluje z większą różnorodnością gleby według McDaniel i in. 2014 oraz Lori i in. 2017.
sodowość
Zasolenie gleby odnosi się do zawartości sodu w glebie w porównaniu z zawartością innych kationów , takich jak wapń . W wysokich stężeniach jony sodu rozbijają gliny i powodują pęcznienie i dyspersję w glebie. Skutkuje to zmniejszoną trwałością gleby. Jeśli koncentracja powtarza się, gleba staje się cementowata , z niewielką lub żadną strukturą.
Długotrwałe narażenie na wysokie stężenia sodu powoduje zmniejszenie ilości wody zatrzymywanej i zdolnej do przepływu przez glebę, a także zmniejszenie tempa rozkładu (pozostawia glebę bezpłodną i uniemożliwia dalszy wzrost). Ten problem jest widoczny w Australii, gdzie 1/3 ziemi jest dotknięta wysokim poziomem soli. Jest to zjawisko naturalne, ale praktyki rolnicze, takie jak nadmierny wypas i uprawa przyczyniły się do jego powstania. Możliwości zagospodarowania gleb sodowych są bardzo ograniczone; trzeba albo zmienić rośliny, albo zmienić glebę. Ten ostatni proces jest trudniejszy. W przypadku zmiany gleby należy dodać wapń, aby wchłonąć nadmiar sodu, który blokuje przepływ wody.
Zasolenie
Zasolenie gleby to stężenie soli w profilu glebowym lub na powierzchni gleby. Nadmiar soli wpływa bezpośrednio na skład roślin i zwierząt ze względu na różną tolerancję soli – wraz z różnymi fizycznymi i chemicznymi zmianami w glebie, w tym upadkiem strukturalnym, aw skrajnych przypadkach denudacją, narażeniem na erozję gleby i przedostawaniem się soli do dróg wodnych. Przy niskim zasoleniu gleby występuje duża aktywność mikrobiologiczna, co powoduje wzrost oddychania gleby , co zwiększa emisję dwutlenku węgla w glebie, tworząc zdrowsze środowisko dla roślin. Wraz ze wzrostem zasolenia gleby drobnoustroje są bardziej obciążone, ponieważ mają mniej dostępnej wody, co prowadzi do mniejszego oddychania. Zasolenie gleby ma lokalny i regionalny wpływ na różnorodność biologiczną, począwszy od zmian składu roślin i przeżywalności w lokalnym miejscu zrzutu, po regionalne zmiany jakości wody i organizmów wodnych .
Podczas gdy gleba bardzo zasolona nie jest preferowana do uprawy roślin, należy zauważyć, że wiele roślin może rosnąć na glebach bardziej zasolonych niż inne. Jest to ważne w krajach, w których zasoby, takie jak świeża woda, są ograniczone i potrzebne do picia, a słona woda może być wykorzystywana w rolnictwie. Zasolenie gleby może wahać się między skrajnościami na stosunkowo niewielkim obszarze; pozwala to roślinom na poszukiwanie obszarów o mniejszym zasoleniu. Trudno określić, które rośliny mogą rosnąć w glebie o dużym zasoleniu, ponieważ zasolenie gleby nie jest równomierne, nawet na niewielkich obszarach. Jednak rośliny pobierają składniki odżywcze z obszarów o niższym zasoleniu.
Erozja
Erozja gleby to usuwanie wierzchnich warstw gleby pod wpływem wody, wiatru lub lodu. Erozja gleby występuje naturalnie, ale działalność człowieka może znacznie zwiększyć jej nasilenie. Zdrowa gleba jest żyzna i produktywna. Jednak erozja gleby prowadzi do utraty wierzchniej warstwy gleby, materii organicznej i składników odżywczych; niszczy strukturę gleby i zmniejsza zdolność magazynowania wody, co z kolei zmniejsza żyzność i dostępność wody dla korzeni roślin. Erozja gleby jest zatem głównym zagrożeniem dla różnorodności biologicznej gleby.
Skutki erozji gleby można złagodzić za pomocą różnych technik ochrony gleby . Obejmują one zmiany w rolniczych (takie jak przejście na uprawy mniej podatne na erozję ), sadzenie drzew strączkowych wiążących azot lub drzew, o których wiadomo, że uzupełniają materię organiczną . Ponadto jutowe i siatki z geowłókniny jutowej mogą być używane do kierowania i przechowywania spływów oraz kontrolowania ruchu gleby.
Źle zrozumiane działania na rzecz ochrony gleby mogą skutkować brakiem równowagi związków chemicznych w glebie. Na przykład próby zalesiania na północnym płaskowyżu lessowym w Chinach doprowadziły do pozbawienia substancji organicznych składników odżywczych, takich jak węgiel , azot i fosfor .
Stosowanie nawozów
Potas (K) jest niezbędnym makroelementem dla rozwoju roślin, a chlorek potasu (KCl) stanowi najszerzej stosowane źródło K w rolnictwie. Stosowanie KCl prowadzi do wysokich stężeń chlorków (Clˉ) w glebie, co powoduje wzrost zasolenia gleby wpływając na rozwój roślin i organizmów glebowych.
Chlor ma działanie biobójcze na ekosystem glebowy, powodując negatywne skutki dla wzrostu, śmiertelności i reprodukcji organizmów, co z kolei zagraża różnorodności biologicznej gleby. Nadmierna dostępność chlorków w glebie może wywołać zaburzenia fizjologiczne u roślin i mikroorganizmów poprzez obniżenie potencjału osmotycznego komórek oraz stymulację produkcji reaktywnych form tlenu. Ponadto jon ten ma negatywny wpływ na mikroorganizmy nitryfikacyjne, wpływając tym samym na dostępność składników pokarmowych w glebie.
Wpływ skali zlewni
Systemy biologiczne — zarówno naturalne, jak i sztuczne — w dużym stopniu zależą od zdrowych gleb; to utrzymanie zdrowia gleby i żyzności we wszystkich jej wymiarach podtrzymuje życie. Wzajemne połączenie obejmuje rozległe skale przestrzenne i czasowe; na przykład główne problemy związane z degradacją, takie jak zasolenie i erozja gleby, mogą mieć skutki od lokalnych do regionalnych – może minąć dziesięciolecia, zanim konsekwencje działań gospodarowania mających wpływ na glebę zostaną zdane pod kątem wpływu na różnorodność biologiczną. [ potrzebne źródło ]
Utrzymanie zdrowia gleby jest kwestią regionalną lub w skali zlewni. Ponieważ gleby są zasobem rozproszonym, jedynym skutecznym sposobem zapewnienia dobrego stanu gleby jest zachęcenie do szerokiego, spójnego i atrakcyjnego ekonomicznie podejścia. Przykłady takiego podejścia zastosowanego w środowisku rolniczym obejmują stosowanie wapna ( węglanu wapnia ) w celu zmniejszenia kwasowości w celu poprawy zdrowia gleby i produkcji, a także przejście od konwencjonalnych praktyk rolniczych, które obejmują uprawę, do systemów ograniczonych lub zerowych, które pozytywnie wpłynął na poprawę struktury gleby.
Monitorowanie i mapowanie
Gleby obejmują ogromną różnorodność organizmów, co sprawia, że różnorodność biologiczna jest trudna do zmierzenia. Szacuje się, że na boisku piłkarskim znajduje się pod ziemią tyle organizmów, ile jest wielkości 500 owiec. Pierwszym krokiem w identyfikowaniu obszarów, w których różnorodność biologiczna gleby jest najbardziej zagrożona, jest znalezienie głównych wskaźników zmniejszających różnorodność biologiczną gleby. Różnorodność biologiczna gleby będzie mierzona w przyszłości, zwłaszcza dzięki rozwojowi metod molekularnych polegających na bezpośredniej ekstrakcji DNA z matrycy glebowej.
