Как называется вещество от которого зависит почвенное плодородие: как называется вещество,от которого зависит почвенное плодородие?

Плодородие почвы: повышение урожайности с помощью ядерных методов

Содействие продовольственной безопасности и экологической устойчивости в сельскохозяйственных системах требует комплексного подхода к управлению плодородием почв, который помогает увеличить объем производства сельскохозяйственных культур, сводя к минимуму извлечение запасов питательных веществ из почвы и ухудшение ее физических и химических свойств, что может привести к деградации земель и в том числе к эрозии почв. Подобная методика управления плодородием почв предусматривает применение удобрений и органических веществ, севооборот с бобовыми и использование улучшенной зародышевой плазмы, а также требует знания того, как адаптировать эти практики к местным условиям.

Объединенный отдел ФАО/МАГАТЭ содействует государствам-членам в разработке и внедрении технологий, основанных на ядерных, с тем чтобы оптимизировать практику улучшения плодородия почв, тем самым способствуя интенсификации производства сельскохозяйственных культур и сохранению природных ресурсов.

Другие подходы к эффективному повышению плодородия почв

Комплексное управление плодородием почв преследует цель увеличения эффективности использования питательных веществ в сельском хозяйстве и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Этого можно добиться за счет использования зернобобовых культур, которые улучшают плодородие почв за счет биологической фиксации азота, и применения химических удобрений.

Будь то выращивание бобовых на зерно, в качестве сидерата, для пастбищ или в качестве посадок для агролесомелиоративных систем, главная ценность бобовых культур заключается в их способности фиксировать атмосферный азот, что позволяет уменьшить объем использования коммерческих азотных удобрений и нарастить плодородие почв. Бобовые, способные к связыванию азота, являются основой для устойчивых систем ведения сельского хозяйства, в которых используется комплексное управление питательными веществами. Применение азота-15 позволяет оценить динамику и взаимодействие между различными источниками в сельскохозяйственных системах, включая фиксацию азота бобовыми и утилизацию азота почвы и азота удобрений сельскохозяйственными растениями, как при возделывании монокультур, так и в случае смешанных систем земледелия.

Плодородность почв можно дополнительно улучшить за счет включения покровных культур, которые добавляют органические вещества в почву, что приводит к улучшению ее структуры и способствует созданию здоровой плодородной почвы; используя сидерат или выращивание бобовых с целью фиксации азота из воздуха в процессе биологической фиксации; путем применения микродоз удобрений, с целью восполнения потерь, вызванных поглощением растениями и другими процессами; а также за счет сокращения потерь путем выщелачивания под корневой зоной с использованием воды и питательных веществ улучшенного качества.

Чем помогают ядерные и изотопные методы

Изотопы азота-15 и фосфора-32 используются для отслеживания оборота меченых азотных и фосфорных удобрений в почвах, культурах и воде, позволяя получать количественные данные об эффективности использования, круговороте, остаточных эффектах и трансформации этих удобрений. Подобные сведения имеют ценность при разработке усовершенствованных стратегий применения удобрений. Изотопная методика с применением азота-15 также используется для количественного определения объема азота, связанного из атмосферы путем биологической фиксации бобовыми.

Изотопная сигнатура углерода-13 помогает количественному изучению использования пожнивных остатков с целью стабилизации почвы и повышения ее плодородности. Методика также позволяет оценить эффекты консервационных мер, например, влияние использования пожнивных остатков на влажность и качество почв. Эти сведения позволяют идентифицировать происхождение и относительный вклад различных типов сельскохозяйственных растений в почвенное органическое вещество.

Гранулометрический состав

1. Главная
2. Абитуриентам и школьникам
3. Музеи
4. Музей почвоведения им. С.А. Захарова
5. Гранулометрический состав

Гранулометрическим составом почв и пород называется относительное содержание в почве механических элементов или фракций.

Механические элементы почвы (элементарные почвенные частицы) — это обособленные осколки горных пород, минералов, кристаллов, а также аморфных соединений, все элементы которых находятся в химической взаимосвязи. Частицы, близкие по размерам, объединяют во

фракции. Различают следующие типы механических элементов: минеральные, органические и органоминеральные.

Сумму всех механических элементов почвы размером меньше 0,01 мм называют физической глиной, а больше 0,01 мм – физическим песком, кроме того, выделяют мелкозем, в который входят частицы менее 1 мм, и почвенный скелет – частицы больше 1 мм (Классификация механических элементов по размеру).

Классификация механических элементов по размеру (по Н.А. Качинскому)

Наименование ЭПЧ	Диаметр ЭПЧ, мм	Группы ЭПЧ*
Каменистая часть почвы	>3	Скелет (хрящ)
Гравий	3 —1
Песок: крупный средний мелкий	1 —0,5 0,5 —0,25 0,25 —0,05 0,05 —0,01 0,01 —0,005 0,005 —0,001 0,001 —0,0005 0,0005 —0,0001 <0,0001	Мелкозем	Физический песок >0. 01 мм
Пыль: крупная средняя мелкая
Ил: грубый мелкий			Физическая глина <0.01 мм
Коллоиды

Гранулометрический состав почвы оказывает большое влияние на почвообразование и агропроизводственные свойства почв. От него зависят: процессы перемещения, превращения и накопления веществ; физические, физико-механические и водные свойства почвы, такие как пористость, влагоемкость, водопроницаемость, водоподъемность, структурность, воздушный и тепловой режим.

Одна из первых научных классификаций была предложена Н.М. Сибирцевым. В настоящее время широко распространена более совершенная классификация гранулометрического состава почв и пород Н.А. Качинского.

Фракции механических элементов слагают почвы или породы в различных количественных соотношениях. Различные фракции механических элементов имеют неодинаковые свойства. Поэтому и почвы, и породы также будут обладать неодинаковыми свойствами в зависимости от разного содержания в них тех или иных фракций механических элементов. Все многообразие почв и пород по гранулометрическому составу можно объединить в несколько групп с характерными для них физическими, физико-химическими и химическими свойствами. В основу классификации почв и пород по гранулометрическому составу положено соотношение физического песка и физической глины.

Классификация почв и пород по гранулометрическому составу (по Н.А. Качинскому)

Краткое название по гранулометрическому составу	Содержание физической глины (<0,01 мм), %
	Почвы
	Подзолистого типа почвообразования	степного типа почвообразования, а также красноземы и желтоземы	солонцы и сильносолонцеватые почвы
Песчаная
рыхло-песчаная	0–5	0–5	0–5
связно-песчаная	5–10	5–10	5–10
Супесчаная	10–20	10–20	10–15
Суглинистая:
легкосуглинистая	20–30	20–30	15–20
среднесуглинистая	30–40	30–45	20–30
тяжелосуглинистая	40–50	45–60	30–40
Глинистая:
легкоглинистая	50–65	60–75	40–50
среднеглинистая	65–80	75–85	50–65
тяжелоглинистая	>80	>85	>65

По этой классификации основное наименование по гранулометрическому составу производится по содержанию физического песка и физической глины и дополнительное – с учетом других преобладающих фракций.

Например, дерново-подзолистая почва содержит (в процентах): физической глины 28,1, песка 37,0, крупной пыли 34,9, средней и мелкой пыли 16, ила 12,1. Основное наименование гранулометрического состава этой почвы – легкосуглинистая, дополнительное – крупнопылевато-песчаная. Дополнительное, уточняющее, название, как видим из примера, дается по двум преобладающим фракциям, из которых главной по величине является та, что стоит в определении на последнем месте.

Классификация составлена с учетом генетической природы почв, способности их глинистой фракции к агрегированию, что зависит от содержания гумуса, состава обменных катионов, минералогического состава. Чем выше эта способность, тем слабее проявляются глинистые свойства при равном содержании физической глины. Поэтому степные почвы, красноземы и желтоземы, как более структурные, переходят в категорию более тяжелых почв при большем содержании физической глины, чем солонцы и почвы подзолистого типа.

---

Структурный состав почвы

Капиллярность — Капиллярная вода – это вода, способная подняться в верхние слои почвы по мелким порам путем связывания молекул воды в порах (адгезии), но также и путем сближения молекул воды (когезия). Илистые почвы обладают высокой капиллярностью, сочетая в себе большую глубину подъема и высокую скорость капиллярного движения

Катионы — Положительно заряженные ионы в почве, такие как: калий, кальций, магний

Коллоид — Коллоиды являются лучшими структурными единицами почвы, со средним диаметром менее 0,0002 мм. Коллоиды включают в себя некоторые органические вещества и настоящую глину

Минеральные частицы — Почвенные минеральные частицы представляют мельчайшие неорганические включения, которые были сформированы в месте разрушения климатическими факторами различных минерально-песчаных пород или были туда занесены, к примеру, ледниками. Свойства почвы сильно зависят от размера частиц, составляющих ее, в соответствии с Таблицей «Соотношение частиц по распространенности»

Поры — Почвенные поры – это пустоты, ходы и трещины в почве, которые заполняются либо водой, либо воздухом в зависимости от текущего содержания влаги в земле.

Почвенная фауна — Земляные черви, мокрицы, ногохвостки, многоножки, клещи – животные, открывающие путь бактериям и грибам, путем деления на части и измельчения растений в их ротовой полости, желудке и кишечнике

Удельная площадь — Общая площадь поверхности частиц, выражаемая в квадратных метрах на 1 грамм сухой почвы. Это понятие является важной характеристикой, показывающей среднее количество питательных веществ, которое почва может отдать при выветривании и, наоборот, связать со своей поверхностью

Структура  Почвенная структура определяется соотношением классов с разным диаметром, в частности относительные пропорции песка, ила и глины, в соответствии с Таблицей «Соотношение частиц по распространенности»

Жизнь у нас под ногами

Что представляет собой мир, расположенный под землей? Сколько разных биологических видов там живет и чем они принципиально отличаются от наземных организмов? Чем важна подземная жизнь и какие загадки скрывает? Почему важно помнить, что природы опасна и как надо правильно пользоваться её ресурсами? Об этом рассуждает Алексей Владимирович Тиунов, член-корреспондент РАН, заместитель директора Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцова, заведующий лабораторией почвенной зоологии и общей энтомологии.

 

– Алексей Владимирович, ваша лаборатория и вы лично занимаетесь тем, что находится непосредственно у нас под ногами, в почве. А там, оказывается, целый мир, о котором многие из нас даже не догадываются, – сложно организованный, имеющий свою структуру, свои отношения, свою иерархию. Расскажите, пожалуйста, чем занимается ваша лаборатория, какие проблемы решает.

– Лаборатория большая и решает очень много разных проблем, поэтому у нее такое длинное название. У нас половина сотрудников – это энтомологи. Настоящий энтомолог – человек, который знает какую-нибудь группу и занимается таксономией, зоогеографией и прочими вещами, связанными с этой группой. Так что часть наших людей – великие специалисты в многоножках, в мухах, в пауках, в жуках. А вторая половина занимается функциональной экологией, то есть взаимодействиями в экосистеме, и фокусируется именно на том, что происходит в почве. Потому что в почве происходит очень многое.

– А что там происходит?

– То, что там происходит, можно по-разному трактовать. Когда я начинал работать в этой лаборатории, она была просто лабораторией почвенной зоологии. Её создал один из основателей этой науки, академик Меркурий Сергеевич Гиляров. Он в то время руководил лабораторией. Само понятие «почвенная зоология» возникло во второй половине XX века. Тогда мы жили под лозунгом плодородия. Мы действительно об этом думали, каким образом почвенные животные влияют на формирование почвенного плодородия.

С тех пор акценты очень сильно сменились. Выяснилось, что почвенное плодородие зависит не от деятельности почвенных животных, а в основном от деятельности политиков на поверхности почвы, потому что, как только рухнул социализм, оказалось, что плодородия у нас совершенно достаточно, чтобы нас кормить, и об этом можно не волноваться. С плодородием все в порядке. Вопрос в том, как почвы сохранить, чтобы они, в свою очередь, сохранили это плодородие.

Но сейчас мир интересуется балансом углерода более, чем многими другими проблемами. И нас это тоже очень интересует. Какова роль почвы в поддержании баланса углерода, куда этот углерод уходит – это одно направление. А второе направление – это то, что называется биоразнообразие, все, что включает понятие «жизнь».

Так вот, в почве очень много биоразнообразия. Там живет множество видов организмов – намного больше, чем на поверхности почвы, и это само по себе загадка.

– Да вы что! Кто бы мог подумать.

– Если смотреть шире, то поверхность – это просто плоскость, а почва – это среда, в которой этих поверхностей очень много. Там много маленьких кусочков, агрегатов, и между ними пространство, и это все формирует очень большую поверхность.

– То есть наш мир достаточно бедный по сравнению с подземным миром?

– Наш мир – двумерный. Это как если представить себе разницу в структуре леса и просто голой земли. Вот лес – он развитый, там есть стволы, есть ветви, есть листья, и везде есть своя жизнь. А просто голая земля – на ней тоже что-то есть, но понятно, что места там мало. Оказывается, что почва, – по крайней мере, верхние ее горизонты, которые набиты жизнью очень плотно, – это пространство, где очень много места. Места не только в физическом смысле, но в смысле экологическом, в смысле нишевого пространства. Там помещается очень много всего.

Кроме того, почва важна с функциональной точки зрения. Нас в школе учили (и сейчас продолжают учить) такому понятию, как пищевая пирамида. У нас есть продуценты, ими питаются консументы первого порядка, которыми питаются консументы второго порядка и мифические консументы третьего порядка. И это так потому, что энергия передается на следующий уровень в определенном соотношении, скажем, 1:10.

Это все не имеет никакого отношения к действительности, если мы говорим про наземные экосистемы. Да и водные тоже. Это некоторое упрощение, которое нужно для того, чтобы школьники и студенты примерно понимали, как это все работает, но работает на самом деле все не так.

Я приводил студентов в лес и говорил: «Вы знаете, что такое пищевая пирамида?» Они говорили: «Да, мы знаем, как это работает». Я говорил: «Ну, тогда соотношение между консументами и продуцентами какое должно быть?» Они говорят: «Ну, примерно 1:10». А мы стоим в ельнике. Я говорю: «Вы представляете себе биомассу этих елей вокруг?» Они говорят: «Да». – «Тогда покажите мне 1/10 от этой биомассы животных. Где они? Этого ничего нет».

Этого нет, потому что на самом деле животные съедают очень маленькую долю зеленой массы. А все остальное умирает само собой, падает на землю и превращается в ресурс детритной пищевой сети. И эта детритная пищевая сеть очень мощная, потому что в нее поступает в сто раз больше энергии, чем в пастбищные пищевые сети. То есть все эти лоси, кузнечики, тли, жуки, пауки и птички, – если они не связаны с детритными пищевыми сетями, то они съедают очень мало. А все остальное попадает в землю и превращается в почву, там перерабатывается и в конце концов возвращается в атмосферу в виде углерода. Все это и создает почву как функциональную единицу. Огромный поток энергии, который через нее идет, обеспечивает очень большое разнообразие. А дальше это разнообразие само себя поддерживает.

Понятно, что в этом еще разбираться и разбираться, но ныне образовавшийся интерес к балансу углерода заставляет в этом разбираться все лучше и лучше. Очень мощные международные усилия на это направлены, и национальные усилия. Это не только вопрос денег, но это вопрос интереса, популярности этих работ.

– Наверняка виды, которые обитают в этом подземном мире, еще известны не полностью. Но сколько уже известно?

– Этого никто не знает. Хотя это очень интересная задача. Но решить её очень непросто. Есть целые большие группы животных, большая часть из них – мелкие организмы, про которых довольно мало известно. Скажем, микроскопические клещи, которые знамениты в основном тем, что они вызывают аллергию. Какие-нибудь клещи домашней пыли, о которых все слышали. Те же самые группы клещей есть в почве, и их там на много порядков больше. Рядом с ними маленькие артроподы коллемоболы, нематоды, кольчатые черви, насекомые.

Попытки оценить, сколько всего на планете живет насекомых, обычно не слишком успешны. Есть специальные люди, прекрасные профессионалы, которые раз в несколько лет печатают статью, где написано: «Смотрите, мы сделали новую оценку количества артропод на Земле. Раньше мы думали, что их 3,7 миллиона видов, а сейчас мы думаем, что их чуть меньше – 2,7. Но все равно меньше половины описано, поэтому на самом деле сколько, мы не знаем». Примерно так и есть.

Одно мы знаем наверняка: в почве сосредоточена большая часть видового разнообразия наземных экосистем. Тут сомнений нет никаких.

– Потрясающе. Алексей Владимирович, что вы нам можете сообщить об образе их жизни? Мы знаем, что, скажем, муравейник – это некая очень сложно организованная инженерная система, что у пчел тоже своя жизнь, своя даже, как говорят, цивилизация. А подземные животные чем интересны, чем уникальны?

– Уникальностей у них много. В прошлом году у нас вышла большая статья с огромным международным коллективом, где была предложена, на мой взгляд, более-менее разумная концепция модели динамики органического вещества почвы и баланса почвенного углерода. Модель, которая включает инженерную активность подземных животных. Все остальные модели этот момент не учитывали.

Особенности детритных пищевых сетей, которые сосредоточены в почве, велики и отвратительны, потому что делают их еще более неопределенными и трудными для исследования. На поверхности почвы пищевые сети основаны на зеленых растениях, и дальше начинаются довольно простые физиологические штуки: как животное может переварить зеленый лист, как зеленый лист защищается от этого, какие физиологические механизмы он использует, какие химические, как эволюционно это работает. Ведь растения в ходе эволюции изменяются так, чтобы соответствовать своим потребителям.

– А что же там, под землей?

– А там все основано на мертвом органическом веществе, которому наплевать, что его едят. Значит, взаимодействия между первичным ресурсом и его потребителями нет. Кроме одностороннего: потребители потребляют этот первичный ресурс. Но потребляют они его не непосредственно, а через микробов, потому что никто не любит есть упавший мертвый лист. Считанное количество животных способно осваивать просто мертвое органическое вещество. Оно невкусное. Оно и энергетически невыгодное. И его осваивают микробы, грибы, бактерии.

Соответственно, мы имеем промежуточный трофический микробный уровень, который по разнообразию сравним с разнообразием животным. У микробов разные физиологические реакции, разная адаптация, и очень трудно перескочить через этот барьер. Приходится рассматривать весь этот ресурс как некий черный ящик. Это создает важное различие между наземными и подземными пищевыми сетями, потому что на земле есть обратная связь (реакция растений на потребителя), а под землей – нет. Под землей взаимодействие совсем по-другому устроено.

Другая история – почву делает почвой то, что называется гумусом. Очень важный компонент почвы – это то, что в ней лежит в виде органического вещества. Часть – более подвижная, часть – менее подвижная, часть – совсем неподвижная. Время оборота этого органического вещества в верхних горизонтах почвы составляет десятки или сотни лет.  Без этого вещества как таковой почвы нет, потому что именно эта органика делает почву почвой, даёт плодородие, создает резервуар углерода, самый большой на поверхности планеты.

Разные пулы углерода в почве с разной скоростью оборачиваются. Какую-то часть из них могут взять те же червяки. Дождевые черви – это одна из немногих групп животных, которые способны осваивать стабилизированное органическое вещество. Они это делают медленно, но они это могут делать. И это значит, что они находятся среди главных драйверов углеродного баланса почвы и, соответственно, вообще углеродного баланса.

– Помнится, Докучаев называл дождевого червя царем почв. Именно поэтому?

– По-моему, Докучаев как раз довольно равнодушно относился к почвенным животным, но за почвенных животных в свое время заступился Дарвин, так что у нас все в порядке с великими людьми. Последняя книга Дарвина называлась «Формирование плодородного слоя Земли деятельностью дождевых червей» или что-то в этом роде. Это очень интересная книжка. Это один из тех самых механизмов, которыми всю жизнь занимался Дарвин, – превращение маленьких актов во что-то великое. Как он сделал с эволюцией, как он сделал с образованием коралловых рифов, тот же вопрос он исследовал и здесь.

Теория эволюции основана на том, что радикальное преобразование живого происходит путем маленьких незаметных шагов. Собственно, в этом и состоит теория. То же самое с рифами: деятельность крошечных животных приводит к тому, что формируются океанские острова. Так же с червями: незаметная деятельность дождевых червей приводит к тому, что формируется почва, от которой мы все зависим. А они занимаются только тем, что заглатывают маленький кусочек почвы, пропускают через себя и выбрасывают на поверхность. Вот таким образом в дарвиновской парадигме получается, что малые и незаметные события приводят к последствиям геологического масштаба.

– Какие из организмов, с которыми вам приходится сталкиваться, вас больше всего удивили, поразили? Вообще интересно ли это – заниматься, например, червями?

– Интересен любой объект. Я много занимался разными объектами в жизни. Началось с того, что я пришел в лабораторию, будучи еще не специалистом, но уже сделав дипломную работу про многоножек. У нас до сих пор очень сильная многоножечная школа. Многоножки – ужасно приятные животные.

– А в чем их приятность?

– Они длинненькие, кругленькие, много ножек, такие симпатичные, не кусаются.  

– Не то что тараканы какие-нибудь.

– Совершенно согласен. Тараканы – неприятные животные, а многоножки – приятные. И я пришел сюда, а мне академик Гиляров даёт бумагу, найденную у себя в столе. А там написано черным по белому: даем вам ставку, для того чтобы заниматься дождевыми червями и переработкой навоза с их помощью. Стал заниматься червями.

– Ну, а дождевые черви – приятные?

– Да, конечно.

– А кроты? Все-таки там, под землей, есть и млекопитающие. Кроты приятные? Или их надо лопатой по голове, как многие садоводы делают?

– У садовода свое дело, у крота – свое, а у ученого – свое. Садовод сам решает, что делать с кротом, я ничего не могу сказать по этому поводу. Как ученый могу сказать следующее. Крот – это главный из позвоночных животных потребитель дождевых червей и совершенно уникальное создание в этом смысле, потому что, конечно, нелегко жить под землей, но они это делают очень эффективно и здорово. У меня нейтральное отношение к кротам, они много съели моих дождевых червей, но они, конечно, удивительные. Мы как-то копали червей в пойме небольшой речки под Москвой и наткнулись на кротовое хранилище, причем потом выяснилось, что там этих хранилищ очень много. Кроты консервируют червей, прокусывая им голову, и откладывают в сторону. В этом хранилище лежали многие десятки здоровенных червей. Лежат и ждут, когда придет крот и их съест. Это был настоящий склад с «консервами». Это, конечно, потрясающе.

– Какие еще у вас были объекты для изучения?

– Потом в течение нескольких лет в одном проекте я занимался грибами и в какой-то степени познал почвенные грибы – микромицеты, которых очень много. Это тот самый промежуточный этап между мертвым органическим веществом и почвенными животными. А потом мы начали работать в тропиках, а там вообще очень много всего. Мы стали работать с термитами, например, с ними ужасно интересно. Это совсем другая жизнь.

– Насколько человеку важно жить на почве? Человек появился как биологический вид и развивался на почве, а сейчас мы все живем на асфальте. Насколько это меняет человека? Или это для него неважно?

– Мы живем намного дольше и лучше, чем жили наши предки, которые ходили босиком по почве.

– Но это не благодаря тому, что мы стали жить на асфальте.

– Это скоррелировано. Мы стали жить хорошо и долго именно благодаря тому, что перестали ходить босиком по земле. Несомненно, связь с почвой очень приятна, потому что приятно в земле копаться. Она необходима для земледельцев, она доставляет удовольствие дачникам, и вообще она эстетически хороша. Но это не означает, что мы все должны вернуться в деревню. Для этого время еще, наверное, не пришло. Хотя, по мере того как накапливаются технологии, это, наверное, случится, но, мне кажется, из чисто эстетических соображений.

– То, что город наступает вообще на почву, на сельскую местность, все меньше и меньше становится угодий, как-то вреди почве?

– Это другой вопрос, важный и не совсем понятный. С одной стороны, степень урбанизации растет, и почва под любой густонаселенной территорией выходит из сельскохозяйственного оборота и вообще портится. А у почвы очень много функций. Кроме того, что она дает нам еду, почва регулирует углеродный баланс, очищает среду. Безумное количество микробов, которые сидят в почве, кроме всего прочего, гарантируют, что даже какая-то исключительно устойчивая дрянь, которая попадает в среду (как, например, пластиковая бутылка), в конце концов будет все-таки кем-то съедена. То, что останется после разрушения солнцем, когда это все превратится в порошок, будет съедено чем-то живущим в почве. И чем больше этой открытой поверхности, тем эффективнее самоочищение природы. Вообще циклы, которые происходят в почве, очень важны. Поэтому, конечно, это плохо.

Но какие тут можно предложить варианты? Если мы все из города разъедемся, ведь мы же не будем в шалашах жить. Мы будем жить в каменном доме, и мы под каждым каменным домом тоже выведем почву из оборота. И тогда окажется, что мы выведем больше почвы, чем наши многоэтажные дома. Поэтому есть проблемы у человечества, которые нельзя решить просто так. Я не знаю, как они будут решаться.

– Нет идей, как?

– Если бы мы с вами разговаривали 30 лет назад, то мы бы говорили о том, что население растет и растет, и скоро будет ужас. А сейчас мы уже можем этого не говорить. Мы знаем, что население успокаивается и рост прекратится. Мы в этом почти уверены. Если прекратится рост, наверное, начнется падение.

– Демографической теорией занимался основатель портала «Научная Россия» Сергей Петрович Капица. Он доказывал с математической точки зрения, что никакого демографического взрыва не будет.

– Отлично помню, как он предсказывал успокоение этой кривой. Так и происходит. Та эпидемия, с которой мы сейчас столкнулись, это ведь только то, что привлекло внимание, а на самом деле проблема того, что взаимодействие человека с природой все время усиливается, всегда стояла достаточно остро. Очень значительная доля болезней, которыми мы болеем, мы получили оттого, что взаимодействуем с животными. И нас ожидает еще много связанных с этим проблем. Мы уже «воспитали» болезнетворных микробов, устойчивых к антибиотикам, и где-то там сейчас плодится и размножается какой-нибудь мерзкий микроб, который не боится антибиотиков. Количество этих опасностей все время очень велико. И об этом тоже надо думать. Не только о том, как балансы сходятся и как плодородие у нас растет, но и о том, что природа опасна. Если ее трогать, она опасна, если ее не трогать – тоже опасна.

– Как же быть? Трогать с умом? Очень осторожно?

– Надо знать, что происходит, до того, как давать рекомендации. У нас еще, кроме всего прочего, потепление климата. Отчего бы оно ни происходило, оно происходит. У нас есть на Енисее биостанция, и там работает наш коллега, который в этом году отчитался об одной прекрасной работе. За последние 40 лет длительность сезона у перелетных птиц увеличилась на месяц. На четверть! Это много. Это значит, жизнь, которую раньше холод не пускал, движется с юга на север. Наши нефтяники, от которых зависит благополучие нашей страны, на севере никогда не видели энцефалитного клеща. Теперь начинают видеть. Подобные вещи могут привести к очень неприятным последствиям. Поэтому так важно развивать науку и давать возможность ученым проводить свои исследования.

Алексей Владимирович Тиунов, член-корреспондент РАН, заместитель директора Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова

 

Плодородие почвы: как оценить и повысить — АГРОТЕСТ

Динамика системы почва — растение

Подвижность питательных элементов

Почему важно органическое вещество?

Живые организмы

Состав органического вещества почвы

Фактор плодородия I

Фактор плодородия ІІ

Фактор плодородия ІІІ

Фактор плодородия ІV

 

Определение

• Изучение способности почвы обеспечивать растения необходимыми минеральными питательными веществами, механизм, с помощью которого происходит поступление питательных веществ, и факторы, влияющие на обеспечение растениями питательными веществами.
• Естественная способность почвы обеспечивать растения питательными веществами.

Нельзя управлять плодородием почвы, можно управлять только питательными веществами для растений, которые в свою очередь влияют на плодородие почвы.

Динамика системы почва — растение

Если М — элемент питания, его движение можно описать следующим образом

М (твердая фаза) → М (раствор) → М (корень растения) → М (растение)

Факторы, которые влияют на преобразование недоступных питательных элементов в доступные и наоборот являются:

• Химическая активность в недоступной форме питательного элемента
• Химическая активность любых замещающих ионов в точке реакции
• Количество доступных ионов в растворе
• Микробная активность
• Факторы, влияющие на перенос доступных ионов на поверхность корня

В свою очередь, на активность микробов влияют влага, аэрация, поступление питательных веществ, температура и рН почвы. На перенос доступных ионов на поверхность корня влияет возможность замены и количество обменных ионов, а также градиент концентрации растворенных ионов.

Подвижность питательных элементов

Определение

Способность питательного иона двигаться через почву по одному или нескольким механизмами.

Нитрат-ион является наиболее подвижным в почве из-за высокой растворимости в воде и очень ограниченной реакцией с соединениями почвы. Подвижность сульфат — иона почти такая же как у нитрат-иона, но ограничена в почвах с высокой емкостью анионного обмена. Обменные катионы удерживаются глиной и органическими веществами, но находятся в равновесии с почвенным раствором.

Скорость высвобождения зависит от:

• типа обмена и концентрации в почвенном растворе
• заменимости обменных катионов
• скорости удаления из почвенного раствора

Существует шесть основных факторов, влияющих на оценку плодородия почвы:

• Уровень органического вещества в почве
• Биологическая активность
• Обработка почвы
• Отсутствие или минимальная эрозия
• Правильный рН почвы
• Баланс питательных веществ

Почему важно органическое вещество?

На плодородие почвы большое влияние оказывает органическое вещество почвы. Органическое вещество — это часть почвы, которая образуется от разлагающихся растений и животных. Например, когда вспахивается поле, листья и корни становятся частью органического вещества почвы. В почве органическое вещество состоит из нескольких различных фракций, включая живые организмы, свежие и разложенные органические остатки.

Живые организмы

Живые организмы составляют около 15% органического вещества почвы. Живая часть почвы включает в себя дождевых червей, насекомых, бактерии, грибы, корни растений и такие животные, как полевки и родинки. Эти организмы помогают расщеплять только добавленные растительные остатки, навоз и другие органические вещества.

В процессе разложения, организмы получают энергию и питательные вещества, и выделяют доступные для растений питательные вещества. Этот процесс выделения питательных веществ называется минерализацией. Также организмы играют важную роль в агрегации почв и подавлении болезней.

Состав органического вещества почвы

Фактор плодородия I

Поддержание уровня органического вещества почвы

Очень важно поддерживать достаточный уровень органических веществ в почве. Для некоторых хозяйств это может быть довольно трудной задачей и требует от них диверсифицированного подхода. По сути, уровень органического вещества можно поддерживать за счет добавления различных видов органических веществ, одновременно уменьшая потери органического вещества из системы. На молочных фермах основным источником органического вещества является навоз. Другими источниками органического вещества могут быть покровные культуры и растительные остатки. Севооборота, которые включают в себя многолетние посевы трав, уменьшение агрессивной и непрерывной обработки почвы, помогут уменьшить потери органического вещества.

 

Более подробно о органическое вещество почвы Вы можете ознакомиться в статье:

«Органическое вещество почвы — фактор, определяющий ее плодородие».

 

Фактор плодородия ІІ

Поддержание биологической активности почвы

Вторым фактором плодородия почвы является поддержка биологического разнообразия в почве. Почвенная пищевая паутина состоит из множества организмов, которые имеют различные размеры, но их выживание в значительной степени зависит друг от друга. Биологически разнообразный грунт может насчитывать до 100 000 различных типов живых организмов.

 

Про грунтовые микробы читайте в статье:

«Здоровье почвы — грунтовые микробы, органические вещества и рециркуляция питательных веществ»

 

Побочные продукты, образующиеся из корней и свежих органических остатков, питают грунтовые организмы. В свою очередь, грунтовые организмы поддерживают здоровье растений, поскольку они разлагают органические вещества, участвуют в круговороте питательных веществ, раскладывают загрязняющие вещества, улучшают структуру почвы и контролируют популяции вредителей сельскохозяйственных культур.

Например, для других почвенных организмов, дождевые черви расщепляют крупные куски растительных остатков на более мелкие. Дождевые черви также закапываются в почве, обеспечивая множество воздушных каналов для роста корней. Наконец, дождевые черви выделяют муцигель, который помогает почвы связываться.

Фактор плодородия ІІІ

Обработка почвы

Следующим принципом плодородия является управление обработкой почвы. Считается, что почвы в хорошем физическом состоянии — почвы пористые, в которые легко проникает вода и корни. Пористое пространство создается агрегированной почвой. Грунтовые агрегаты образуются, когда частицы почвы (песок, ил, глина) склеиваются вместе с органическими веществами, грунтовыми организмами и корнями растений. Клей, удерживающий все это вместе, образуется из корней растений и почвенных микроорганизмов.

Грунтовые агрегаты бывают разных форм, размеров и уровней стабильности. Их размещение в грунтовой экосистеме формирует структуру почвы. Пространство между грунтовыми агрегатами обеспечивает пространство для воздуха и воды. Поэтому на таких почвах меньше проблем с эрозией и вымыванием, питательные вещества легче становятся доступными для корней растений.

Все о биологии почв, читайте в статье:

«Здоровье почвы — биология уплотненных почв»

Фактор плодородия ІV

Предотвращение эрозии почвы

Одним из факторов плодородия почв является уменьшение потерь питательных веществ в окружающую среду. Эрозия — это основной механизм, с помощью которого ценный верхний слой почвы теряется с сельскохозяйственных полей. Уменьшение эрозии — это поддержание почвы в таком состоянии, которое будет противостоять воздействию дождя и ветра.

Существует много способов, которые можно применить для борьбы с эрозией, Во-первых, держите почву максимально покрытой растительным материалом. Например, эрозия больше на полях с пропашными культурами, чем с многолетними травами. В системе пропашных культур, покровные культуры можно выращивать для защиты почвы от эрозии в течение осенне-зимних месяцев.

Во-вторых, уменьшение обработки также влияет на уменьшение эрозии. Растительные остатки после минимальной обработки почвы, защищают поле от эрозии.

Бобовые культуры, как это красный клевер, является важной частью севооборота

Фактор плодородия V

Кислотность почвы

Нейтральная почва имеет рН 6,5 — 7,3. Кислая почва с рН <6,5. Щелочной грунт имеет рН> 7,3. Кислотность почвы очень сильно влияет на доступность питательных элементов. Большинство сельскохозяйственных культур хорошо себя чувствуют на почвах с рН между 6,0 и 6,8. Бобовые чувствительны к кислотности, и плохо себя чувствуют при рН <6,0.

Это объясняется тем фактом, что бобовые образуют симбиоз с особым видом бактерий. У бактерий есть способность фиксировать атмосферный азот, и превращать его в доступный для растений азот. Для того, чтобы выжить этим бактериям нужен рН почвы от 6,0. Молибден, который необходим для фиксации азота в бобовых, доступен в более щелочных почвах.

 

Статья: «Кислотность почвы (рн)»

Фактор плодородия VI

Баланс питательных веществ

Последний принцип плодородия почвы — сбалансировать питательные вещества, необходимые растениям, одновременно уменьшая их воздействие на окружающую среду. Должен существовать баланс между тем, какое количество питательных веществ необходимо для растений и количеством удобрений, которые вносятся в почву.

Основные вопросы касаемо плодородия почвы

• Насколько же грунт плодородный?
• Как повысить плодородие почвы?
• Сколько же в почве находится питательных веществ?
• Сколько удобрений нужно внести, чтобы не перекормить почву и получить запланированный урожай?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы необходимо провести агрохимическое исследование поля.

Пять шагов по повышению плодородия

Основные шаги для успешной программы по повышению плодородия почв:

• Отбор репрезентативного образца почвы для анализа: для стандартного земледелия используйте метод конверта;
• Правильный уход за образцом: не загрязняйте образец. Отправьте почву для анализа как можно скорее;
• Химический анализ в лаборатории: доступны надежные результаты исследований, поскольку процедуры стандартизированы и регулируются государством.
• Грамотная интерпретация результатов агрохимического анализа лаборатории
  Разработка рекомендаций: на основе исследования земельных участков в вашем регионе и для выращиваемых культур.

Плодородие | Почвы 4 Учителя

Культурам нужны питательные вещества, как и людям. Плодородная почва будет содержать все основные питательные вещества для основного питания растений (например, азот, фосфор и калий), а также другие питательные вещества, необходимые в меньших количествах (например, кальций, магний, серу, железо, цинк, медь, бор, молибден, никель). Обычно плодородная почва также содержит некоторое количество органических веществ, которые улучшают структуру почвы, удержание влаги в почве, а также удержание питательных веществ и pH от 6 до 7.К сожалению, многие почвы не имеют достаточных уровней всех необходимых питательных веществ для растений или условия в почве неблагоприятны для поглощения растениями определенных питательных веществ.

Ученые-почвоведы, которые занимаются плодородием почвы, заинтересованы в использовании питательных веществ для повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Они сосредоточены на использовании коммерческих удобрений, навоза, отходов и компостов для добавления в почву питательных веществ и органических веществ. Иногда они также добавляют химические вещества, которые изменяют pH до более оптимального уровня, обеспечивающего доступность питательных веществ для растений.Эксперты по плодородию почвы также должны быть осторожны, чтобы гарантировать, что практика является экологически устойчивой. Неправильное управление питательными веществами может привести к загрязнению озер, рек, ручьев и грунтовых вод. Кроме того, внесение поправок в почву обходится дорого и снижает рентабельность сельскохозяйственных операций, не говоря уже о том, что уровень токсичности питательных веществ может быть таким же или даже хуже, чем недостаток питательных веществ для растений.

Недостаток питательных веществ

Существует 17 основных питательных веществ для растений, три из них поступают из воздуха и воды (углерод, кислород и водород), а 14 — из почвы. В таблице ниже описаны основные и полезные элементы, полученные из почвы. Макроэлементы необходимы в большом количестве, микроэлементы — в небольших количествах, а полезные элементы необходимы или полезны для некоторых растений, но не для всех.

		Поглощенная форма	Функция	Дефицит
Основные элементы
Макроэлементы
Азот	N	НЕТ 3 — , NH 4 +	Белковый и ферментный компонент	Общее пожелтение листьев, задержка роста, часто в первую очередь поражаются старые листья.
фосфор	-П	HPO 4 — , HPO 4 2-	Мембраны, энергия, ДНК	Трудно визуализировать, пока не серьезно. Карликовые или низкорослые растения. Старые листья становятся темно-зелеными или красновато-пурпурными.
Калий	К	К +	Осмотические весы	Старые листья могут увядать или выглядеть обгоревшими.Пожелтение между жилками начинается у основания листа и идет внутрь от краев листа.
Кальций	Ca	Ca 2+	Структура ячеек	Плод / цветок и новые листья искажены или неправильной формы. В тяжелом состоянии листья будут некротизированы у основания. Листья могут быть чашевидными вниз. Чаще встречается при низком pH.
Магний	мг	мг 2+	Хлорофилл, активация ферментов	Старые листья становятся желто-коричневыми по краю листа, оставляя зеленую середину. Может выглядеть сморщенным. Чаще встречается при низком pH.
Сера	S	СО 4 2-	Белковый и ферментный компонент	Пожелтение листьев начинается с более молодых листьев.
Микроэлементы
Утюг	Fe	Fe 2+ , Fe 3+	Ферментная функция, необходимая для производства хлорофилла	Пожелтение между жилками, начинающимися с молодых листьев.Чаще встречается при высоком pH.
Марганец	млн	млн 2+	Ферментный компонент	Пожелтение между жилками, начинающимися с молодых листьев. Рисунок не такой четкий, как при дефиците Fe, может проявляться пятнами или веснушками. Чаще встречается при высоком pH.
цинк	Zn	Zn 2+	Ферментный компонент	Пожелтение между жилками молодых листьев.Верхние листья могут быть розетчатыми. Чаще встречается при высоком pH.
Бор	В	H 2 BO 3 —	Стенка клетки	Терминальные почки погибают. Легкое общее пожелтение. Требования B очень специфичны для растений.
Медь	Cu	Cu 2+	Ферментная функция	Темно-зеленые низкорослые листья.Скрученные листья часто наклоняются вниз. Иногда вянут с легким общим пожелтением листьев. Чаще встречается при высоком pH.
Молибден	Пн	МоО 4 2-	Ферментная функция	Пожелтение старых листьев и светло-зеленой остальной части растения. Обычно это проявляется в виде дефицита азота из-за роли в ассимиляции нитратов и в бобовых культурах в N-фиксирующих бактериях.Чаще встречается при низком pH.
Хлор	Класс	Класс —	Осмотический баланс, растительные соединения	Практически никогда не бывает дефицита. Листья неправильной формы; Пожелтение и увядание молодых листьев.
Никель	Ni	Ni 2+	Ферментный компонент	Практически никогда не бывает дефицита.
Полезные элементы			Льгота
Кремний	Si		Повышенная устойчивость к вредителям и патогенам, засухоустойчивость, толерантность к тяжелым металлам, более высокое качество и урожайность урожая
Кобальт	Co	Co 2+	Требуется для N-фиксации бактериями, связанными с бобовыми
Натрий	Na	Na +	Требуется для фотосинтеза у видов C4 и CAM, адаптированных к теплому климату

Интерпретации испытаний почвы

Целью управления питательными веществами почвы является устойчивое производство прибыльных культур.Это означает, что такие факторы, как стоимость (поправки, топливо и оборудование), должны быть оценены на предмет их вклада в повышение урожайности. Например, добавление вдвое большего количества удобрений не может удвоить урожайность. Таким образом, фермер должен определить, окупятся ли затраты на внесение удобрений прогнозируемым дополнительным урожаем. Более того, фермер всегда должен думать о том, как неадекватные или чрезмерные методы управления со временем повлияют на почву. Одна из основных причин эрозии или потери почвы связана с разрушением структуры почвы, что может быть связано с такими методами, как интенсивная обработка почвы (перемешивание почвы), чрезмерное движение автотранспорта, чрезмерное удаление растительного материала (залежные поля) и истощение питательные вещества почвы, особенно азот.

При выращивании урожая или огороде необходимо учитывать множество факторов. Сколько удобрений вносить и когда их применять — вот некоторые из решений, которые необходимо принять. Эти решения зависят от выращиваемой культуры, типа почвы и условий окружающей среды, в которых она выращивается. Лаборатории тестирования почвы, связанные с университетами, провели годы полевых и тепличных исследований с различными культурами и почвами, чтобы определить, как конкретная культура реагирует на уровни питательных веществ для растений в почве.Большинство лабораторий используют шкалу оценок, которая включает «Низкий», «Средний», «Высокий» и «Очень высокий», чтобы описать тестовый уровень конкретного питательного вещества для конкретной культуры в конкретном типе почвы. Когда уровень питательных веществ низкий или очень низкий, обычно рекомендуется удобрение, содержащее это питательное вещество. Как только оценка почвы достигает «Высокого» или «Очень высокого», производитель может сэкономить деньги, не применяя больше этого питательного вещества. Не применяя при высоких уровнях испытаний почвы и создавая шкалы оценок, специфичные для общих типов почв, можно защитить окружающую среду от чрезмерного количества питательных веществ.

Управление питательными веществами

Целью управления питательными веществами почвы является устойчивое производство прибыльных культур. Это означает, что такие факторы, как стоимость (поправки, топливо и оборудование), должны быть оценены на предмет их вклада в повышение урожайности. Например, добавление вдвое большего количества удобрений не может удвоить урожайность. Таким образом, фермер должен определить, окупятся ли затраты на внесение удобрений прогнозируемым дополнительным урожаем. Более того, фермер всегда должен думать о том, как неадекватные или чрезмерные методы управления со временем повлияют на почву.Одна из основных причин эрозии или потери почвы связана с разрушением структуры почвы, что может быть связано с такими методами, как интенсивная обработка почвы (перемешивание почвы), чрезмерное движение автотранспорта, чрезмерное удаление растительного материала (залежные поля) и истощение питательные вещества почвы, особенно азот.

Химическое плодородие почв: питательные вещества почвы и питание растений

Скачать PDF

Кристофер Джонс
Менеджер по исследованиям
Программа исследований Северной Австралии

Ключевые точки

• Существует ряд элементов питания, которые необходимы для роста растений.
• Углерод, водород и кислород, три основных питательных вещества для растений, поступают из атмосферы и из воды. Другие важные питательные вещества поступают из почвы.
• Основными питательными веществами или макроэлементами, поступающими из почвы, являются азот, фосфор, калий, сера, магний и кальций.
• Незначительные питательные вещества, также называемые микроэлементами или микроэлементами, поставляемые почвой, включают молибден, медь, цинк, марганец, железо, никель, бор и хлор.
• Дефицит любого из этих важных питательных веществ замедлит рост, поскольку урожай растений зависит от количества наиболее ограниченного питательного вещества, каким бы оно ни было.
• Плодородие почвы состоит из сложного взаимодействия трех компонентов плодородия: химического, структурного и биологического. На них сильно влияет присутствие углерода и воды.
• Наше понимание того, как взаимодействуют компоненты плодородия почвы, является неполным и требует дальнейших исследований, чтобы дать соответствующие рекомендации сельхозпроизводителям.

Сводка

Рост, сила роста и урожайность растений зависят от наличия ряда основных питательных веществ. Подробные списки этих элементов немного различаются, но большинство источников идентифицируют три основных неминеральных элемента: углерод, кислород и водород; шесть основных или макроэлементов: азот, фосфор, калий, сера, кальций и магний; и ряд микроэлементов, которые включают молибден, медь, бор, марганец, железо, никель, хлор и цинк.В дополнение к этим элементам есть также питательные вещества, которые либо необходимы некоторым, но не всем растениям, либо полезны, но не необходимы. Поглощение растениями всех питательных веществ ограничено единственным дефицитным элементом, а не наличием отдельного элемента.

Многие типы почв, встречающиеся в Австралии, испытывают дефицит некоторых основных питательных веществ, и решение не так просто, как простое добавление удобрений. На способность растения поглощать питательные вещества, даже если они имеются в изобилии, сильно влияет доступность воды, присутствие органических веществ в почве, структура почвы и микробиология.

Анализ

Введение

Более 150 лет назад наука определила, что некоторые химические элементы абсолютно необходимы для жизни растений. Сегодня, в зависимости от источника исследования, наука признает 16 или 17 элементов необходимыми для всех растений. Также были идентифицированы дополнительные элементы, которые либо необходимы для некоторых растений, либо полезны, но не важны для роста растений. Несмотря на незначительные различия во мнениях источников, это твердо установленный принцип, согласно которому почвы должны обеспечивать растения значительным количеством питательных веществ, содержащих химические элементы, чтобы растения могли завершить свой жизненный цикл.

В естественных, здоровых экосистемах уровни питательных веществ в почве поддерживаются круговоротом питательных веществ и являются относительно стабильными. Однако сельскохозяйственные почвы могут испытывать дефицит питательных веществ, поскольку сельскохозяйственные экосистемы не закрыты, а питательные вещества навсегда покидают систему в виде продуктов растительного или животного происхождения. Даже при наилучших возможных методах ведения сельского хозяйства такая открытая система не может существовать бесконечно. Доступ к питательным веществам для растений, их усвоение, замена и добавление не так просты, как определение и добавление химикатов.Механизмы поглощения разнообразны и могут быть сложными. Научные исследования продолжают улучшать наше понимание того, как наилучшим образом поддерживать химическое плодородие почвы.

Определение питательных веществ

Определение питательного вещества для растений обманчиво простое; это химический элемент, который необходим или полезен для роста растений или некоторых других процессов жизненного цикла, таких как размножение. Для того чтобы питательное вещество было классифицировано как Essential , оно должно быть либо необходимо для завершения жизненного цикла растения, либо должно быть частью жизненно важного компонента растения, такого как клеточные структуры или метаболический процесс, химические процессы, происходящие внутри живые организмы, например фотосинтез.Другими словами, для роста и размножения растения необходим существенный элемент (постулат Коха).

Основные питательные элементы

Из 17 основных питательных веществ углерода , кислорода и водорода классифицируются как неминеральные элементы. Доступ к ним осуществляется из воздуха и воды, поэтому они не считаются питательными веществами почвы. Углерод составляет основу многих биологических молекул растений, включая белки, крахмалы и целлюлозу.Он фиксируется фотосинтезом (процессом, при котором зеленые растения используют солнечный свет и хлорофилл для создания продуктов питания из углекислого газа и воды) из углекислого газа и является частью сахаров и крахмалов, которые хранят энергию в растении. Почти полностью водород получают из воды. Это критически важный элемент фотосинтеза и дыхания, процесса выработки энергии за счет потребления продуктов, полученных путем фотосинтеза. Кислород получают из воздуха в виде газообразного кислорода или в молекулах воды или углекислого газа.Это также необходимо для дыхания растений (процесса, посредством которого растение получает энергию от сахаров и крахмалов в присутствии кислорода). Остальные 14 элементов относятся к категории питательных веществ для почвы. Они делятся на две категории: макроэлементы и микроэлементы.

Макронутриенты, как следует из названия, необходимы в относительно больших количествах. Они необходимы для основных повседневных биологических функций растений, таких как рост, фотосинтез и дыхание.Макроэлементы:

• Азот необходим для всех процессов роста растений.

• Фосфор является важным компонентом многих жизненно важных производственных процессов.

• Калий также необходим для широкого круга важных процессов на предприятии.

• Сера требуется для образования нескольких аминокислот, белков и витаминов, а также для производства хлорофилла.

• Кальций участвует в правильном функционировании точек роста, особенно кончиков корней.

• Магний является важным компонентом хлорофилла и, следовательно, жизненно важен для фотосинтеза.

Микроэлементы, не менее важные, чем макронутриенты, необходимы только в небольших количествах. Дефицит питательных микроэлементов чаще встречается в сильно выщелоченных песках, органических почвах и в сильно щелочных почвах.Недостатки также могут развиваться на сильно возделываемой почве. Микроэлементы могут быть вредными или вредными для роста растений, если они присутствуют в больших количествах. Публикация CSIRO, австралийских почв и ландшафтов; В иллюстрированном компендиуме отмечается, что сельскохозяйственное развитие больших территорий Австралии было возможно только тогда, когда дефицит питательных микроэлементов был выявлен и устранен. В настоящее время признанными основными микроэлементами являются:

• Молибден , который принимает непосредственное участие в метаболизме азота.

• Медь , необходимая для образования ферментов для производства хлорофилла.

• Бор необходим для движения сахаров по растению и метаболизма азота.

• Марганец, железо и цинк необходимы для процесса роста растений.

• Никель — это наиболее недавно идентифицированное незаменимое питательное вещество для растений. Это ключевой компонент процессов, участвующих в метаболизме азота и биологической фиксации азота.

• Хлор необходим для углеводного обмена и производства хлорофилла. Следует отметить, что хлор можно определить как макроэлемент. Из-за его обычного обилия в окружающей среде он очень редко бывает дефицитным и поэтому часто сгруппирован с питательными микроэлементами.

Помимо основных питательных веществ, есть ряд элементов, которые не полностью соответствуют строгому определению основных, но, тем не менее, важны.Эти элементы либо необходимы для некоторых, но не для всех видов растений, либо они очень полезны для роста растений. Важно отметить, что по мере роста наших научных знаний о питании растений растет и этот список элементов. Некоторые из питательных веществ в этой категории:

• Натрий , который в надлежащих количествах играет важную полезную роль в метаболизме растений. Это важно для небольшой группы растений, которые растут в среде с высоким содержанием соли, известных как галофиты. Он также полезен как частичный заменитель калия у некоторых видов.

• Кобальт оказался незаменимым для эффективной фиксации атмосферного азота в корневых клубеньках бобовых (фасоль, чечевица и другие бобовые).

• Кремний откладывается в виде кремнезема в стенках растительных клеток, улучшая структурную жесткость и прочность клеточных стенок.

• Селен может повышать устойчивость растений к стрессу, вызванному ультрафиолетовым светом, замедлять биологическое старение и стимулировать рост.

Закон минимума Либиха

Хотя доступные количества каждого из основных питательных элементов важны, потребление питательных веществ растениями не является независимым по отдельности. Дефицит одного компонента может повлиять на общее усвоение питательных веществ растениями. В публикациях, выпущенных в 1840 и 1855 годах, немецкий химик-биолог Юстус фон Либих популяризировал открытие, получившее название «Закон минимума», который часто сокращается до закона Либиха. Этот Закон гласит, что рост растений контролируется не общим количеством доступных питательных веществ или ресурсов, а наличием самого дефицитного ресурса.Развитие растения ограничивается одним важным минералом, запасы которого относительно кратчайшие. Этот принцип используется для определения применения удобрений в современном сельском хозяйстве. Ключевым моментом является определение и внесение правильных удобрений, поскольку внесение неправильных удобрений не принесет почти никакой отдачи от урожая.

Поглощение питательных веществ растениями

Есть несколько способов передачи питательных веществ из почвы и других источников в растения.Некоторые растения, например те, которые питаются другими растениями или те, которые ловят насекомых, имеют специальные механизмы доступа к питательным веществам. Однако у большинства растений питательные вещества поглощаются растением через корни и, в частности, через корневые волоски. Растение принимает растворенные питательные элементы через клеточную стенку.

Помимо прямого поглощения питательных веществ корнями, многие растения вступают во взаимовыгодные отношения с микроорганизмами. Некоторые растения, например бобовые, используют бактерии, такие как ризобии, для осуществления биологической фиксации азота, в результате чего атмосферный азот, который напрямую не доступен для растений, превращается в нитрат аммония, форму азота, которая доступна.Второй пример — взаимосвязь, которую образуют многие растения с грибами микоризы. Эта ассоциация обеспечивает гриб относительно постоянный и прямой доступ к источникам энергии, таким как сахар и крахмал, от растений. В свою очередь, длинные нитевидные структуры грибов действуют как продолжение корневой системы растения и увеличивают доступ растения к некоторым важным питательным веществам. Эта взаимосвязь дает растению гораздо больший доступ к питательным веществам, чем было бы в противном случае. В некоторых ситуациях основные макроэлементы, такие как фосфор, доступны растению только в количествах, необходимых для поддержания здорового роста благодаря этой связи.

Повышение плодородия почвы

До сих пор наше обсуждение было сосредоточено на питательных веществах почвы или химическом плодородии почвы, но это только один компонент плодородия. Под физическим плодородием понимаются физические свойства почвы, ее структура, текстура и водоудерживающие свойства, то, как вода течет к корням растений и как эти корни проникают в почву. Биологическое плодородие относится к организмам, живущим в почве, и их способности выполнять важные функции.Эти три компонента тесно взаимосвязаны, и даже оптимальные уровни питательных веществ могут иметь мало значения, если структура почвы и биология не способствуют здоровью растений.

Состав почвы, ее кислотность или щелочность, а также температура окружающей среды — это лишь некоторые из множества факторов, которые будут определять степень доступности питательных веществ для растений. Относительная важность этих факторов зависит от питательных веществ, растений и почвы. Наиболее важно то, что состав почвы влияет на то, насколько хорошо в ней удерживаются питательные вещества и вода.Глины и почвы, содержащие органические вещества, гораздо лучше удерживают питательные вещества и воду, чем песчаные почвы. Поскольку вода стекает с песчаных почв, она часто несет с собой питательные вещества. Это состояние называется выщелачиванием. Когда питательные вещества вымываются из верхнего слоя почвы, они становятся недоступными для использования растениями. Структура почвы также сильно влияет на микробиологию почвы. Растения, которые полагаются на популяции бактерий или грибов для поглощения питательных веществ, не будут расти, если почва не позволяет этим популяциям процветать.

Некоторые австралийские почвы, особенно в Западной Австралии, старые и выветрившиеся, а некоторые считаются старейшими почвами в мире. В течение долгого времени питательные вещества почвы вымывались, что приводило к низкому химическому плодородию почв. Например, в этих старых австралийских почвах уровень фосфора на 40% ниже, чем в почвах Соединенного Королевства, и на 50% ниже, чем в некоторых почвах Северной Америки. Однако важно отметить, что это сравнение неприменимо к более богатым сельскохозяйственным почвам восточной Австралии.До недавнего времени самым распространенным средством от дефицита питательных веществ было внесение удобрений. Однако сложность применения удобрений состоит в том, чтобы определить, какие питательные вещества действительно нуждаются в добавках и в каком количестве. Выбор времени также важен, поскольку потребности растений в питательных веществах меняются в зависимости от жизненного цикла растений. Влияние закона Либиха может замаскировать идентичность действительно дефицитных питательных веществ, поскольку симптомы дефицита не могут напрямую идентифицировать правильное дефицитное питательное вещество. Механизмы поглощения растениями, хотя они просто описаны выше, также могут быть сложными.Когда отсутствуют необходимые структурные и биологические условия, дополнительные удобрения не помогут или не помогут. Повышение жизнеспособности растений будет зависеть от улучшения структурного и биологического плодородия почвы. Неправильное внесение удобрений — это в лучшем случае трата времени и денег, но также может иметь тяжелые экологические последствия.

Объем научных знаний, доступных австралийскому сельскохозяйственному производителю для точного анализа и интерпретации плодородия почвы, разнообразен.Возможность проверять и анализировать уровни питательных веществ в почве хорошо известна, и ее использование является финансово устойчивым и широко приемлемым для производителей. Много усилий было потрачено на картографирование, описание и классификацию австралийских почв на протяжении многих лет, особенно в сельскохозяйственных районах. Отдельным фермерам доступно тестирование почвы для анализа почвы с целью определения дефицита питательных веществ и токсичности. Исследования почвы могут быть дополнены анализом растений, который намного надежнее, чем диагностика визуальных симптомов, описанная выше.Однако возможность проводить такой же глубокий анализ структурного и биологического плодородия почвы появилась недавно и пока не имеет такого же уровня полезности во многих регионах. Анализ может быть дорогостоящим и в настоящее время менее широко используется сельскохозяйственным сообществом. Конечная цель всестороннего понимания всех трех компонентов плодородия почвы в сочетании с одинаково всесторонним пониманием того, как эти компоненты взаимосвязаны друг с другом, а также с водой и углеродом в сельскохозяйственных экосистемах, вероятно, останется достойной целью в обозримом будущем.

Заключение

Обманчивая простота представления о том, что растениям нужны питательные вещества для роста и процветания, возможно, привела к недооценке глубинной сложности метаболического процесса, вовлеченного в перенос основных химических элементов из почвы в ткани растений. Все мы до некоторой степени осознаем необходимость того, чтобы формы жизни, включая нас самих, получали питание из окружающей среды, чтобы жить, расти и воспроизводиться.Несмотря на эту простоту, важные минеральные вещества, которые растения получают из почвы, являются лишь одним взаимосвязанным компонентом в устрашающе сложной системе взаимосвязей и циклов. Задача улучшить наше понимание этих отношений и извлечь из них практические и устойчивые методы ведения сельского хозяйства вполне может укрепить нашу способность поддерживать сельскохозяйственное производство в будущем.

*****

Любые мнения или взгляды, выраженные в этом документе, принадлежат отдельному автору, если не указано, что они принадлежат Future Directions International.

Опубликовано Future Directions International Pty Ltd.

80 Birdwood Parade, Далкейт, Вашингтон, 6009, Австралия.

Тел .: +61 8 9389 9831 Факс: +61 8 9389 8803

Электронная почта: [адрес электронной почты защищен] Веб-сайт: www.futuredirections.org.au

pH почвы — управление питательными веществами

кислотность почвы

Кислота определяется как вещество, которое имеет тенденцию выделять ионы водорода (H⁺). И наоборот, основание определяется как вещество, высвобождающее ионы гидроксила (ОН⁻).Все кислоты содержат ионы водорода, и сила кислоты зависит от степени ионизации (высвобождения ионов водорода) кислоты. Чем больше ионов водорода удерживается обменным комплексом почвы по отношению к основным ионам (Ca, , Mg , K), тем выше кислотность почвы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Алюминий (Al) также способствует повышению кислотности почвы, но для простоты дальнейшее обсуждение кислотности почвы будет ограничено H как причиной кислотности почвы.

Источник: IPNI

Желаемая почва

pH для оптимального растениеводства pH Диапазон

Желательный диапазон pH для оптимального роста растений различается для разных культур.В то время как некоторые культуры лучше всего растут в диапазоне от 6,0 до 7,0, другие хорошо растут в слабокислых условиях. Свойства почвы, влияющие на потребность в извести и реакцию на нее, различаются в зависимости от региона. Знание почвы и урожая важно для управления почвой pH для получения наилучших урожаев.

Почвы становятся кислыми, когда основные элементы, такие как кальций, магний, натрий и калий, содержащиеся в почвенных коллоидах, заменяются ионами водорода. Почвы, сформированные в условиях большого годового количества осадков, более кислые, чем почвы, сформированные в более засушливых условиях.Таким образом, большинство почв юго-востока по своей природе более кислые, чем почвы Среднего Запада и Дальнего Запада.

Почвы, образовавшиеся в условиях небольшого количества осадков, имеют тенденцию быть щелочными с показателем pH почвы около 7,0. Интенсивное земледелие с использованием азотных удобрений или навоза в течение нескольких лет может привести к подкислению почвы. Например, в районах выращивания пшеницы в Канзасе и Оклахоме, где pH почвы составляет 5,0 и ниже, в последние годы были задокументированы токсичность алюминия для пшеницы и хорошая реакция на известкование.

Факторы, влияющие на кислотность почвы

Осадки

Осадки влияют на кислотность почвы. Вода (H₂O) соединяется с диоксидом углерода (CO₂) с образованием слабой кислоты — угольной кислоты (H₂CO₃). Слабая кислота ионизирует, выделяя водород (H⁺) и бикарбонат (HCO₃). Освободившиеся ионы водорода заменяют ионы кальция, удерживаемые коллоидами почвы, в результате чего почва становится кислой. Вытесненные ионы кальция (Ca⁺⁺) соединяются с ионами бикарбоната с образованием бикарбоната кальция, который, будучи растворимым, вымывается из почвы.Чистый эффект — повышенная кислотность почвы.

Азотные удобрения

Уровни азота влияют на почву pH . Источники азота — удобрения, навоз, бобовые — содержат или образуют аммоний. Это увеличивает кислотность почвы, если растение напрямую не поглощает ионы аммония. Чем выше норма внесения азотных удобрений, тем сильнее закисление почвы. Когда аммоний превращается в нитрат в почве (нитрификация), высвобождаются ионы H. На каждый фунт азота в виде аммония требуется примерно 1 фунт.8 фунтов чистого карбоната кальция для нейтрализации остаточной кислотности. Кроме того, нитрат, который предоставляется или образуется, может соединяться с основными катионами, такими как кальций, магний и калий, и выщелачиваться из верхнего слоя почвы в подпочву. Поскольку эти основания удаляются и заменяются ионами H, почвы становятся более кислыми.

Растения

Бобовые, такие как соя, люцерна и клевер, как правило, поглощают больше катионов по сравнению с анионами. Это вызывает высвобождение ионов H из корней растений для поддержания электрохимического баланса в их тканях.Результат — чистое закисление почвы.

Кислотность грунта

Даже если верхние 6 дюймов почвы показывают pH выше 6,0, подпочва может быть чрезвычайно кислой. Когда уровень pH в недрах почвы опускается ниже 5,0, алюминий и марганец в почве становятся более растворимыми, а в некоторых почвах могут быть токсичными для роста растений. Хлопок и, в некоторой степени, соевые бобы являются примерами культур, которые чувствительны к уровням высокорастворимого алюминия в подпочвах, и урожайность сельскохозяйственных культур может снизиться в условиях низкого уровня pH подпочвенного слоя.Если вы заметили на своем поле участки с низкорослыми растениями, возьмите пробу подпочвы на этих участках. Если почва pH чрезвычайно кислая (ниже 5,2), известь следует вносить рано осенью и как можно глубже окучивать.

Известкование почвы окупается

Коррекция кислотности почвы с помощью извести является основой хорошей программы плодородия почвы. Известь не только корректирует кислотность почвы. Он также:

• Обеспечивает необходимые питательные вещества для растений, Са и Mg , если используется доломитовая известь

• Делает другие важные питательные вещества более доступными

• Предотвращает токсичность таких элементов, как Mn и Al, для роста растений .

Известковые материалы

Известковые материалы содержат кальций и / или магний в формах, которые при растворении нейтрализуют кислотность почвы. Не все материалы, содержащие кальций и магний, способны снижать кислотность почвы. Например, гипс (CaSO₄) содержит в заметных количествах Ca, но не снижает кислотность почвы. Поскольку гипс гидролизуется в почве, гипс превращается в сильное основание и сильную кислоту, как показано в следующем уравнении:

CaSO₄ + 2H₂O = Ca (OH) ² + H₂SO₄

Образованные Ca (OH) ² и H₂SO₄ нейтрализуют каждый другое, что приводит к нейтральному эффекту почвы.С другой стороны, когда в почву добавляется кальцитовая (CaCO₃) или доломитовая известь (Ca Mg (CO₃) ²), она гидролизуется (растворяется в воде) до сильного основания и слабой кислоты.

CaCO3 + 2H₂O = Ca (OH) ² + H₂CO₃

Гидроксид кальция является сильным основанием и быстро ионизируется до ионов Ca⁺⁺ и OH⁻. Ионы кальция заменяют поглощенные ионы H на коллоиде почвы и тем самым нейтрализуют кислотность почвы. Образовавшаяся угольная кислота (H₂CO₃) является слабой кислотой и частично ионизируется до ионов H⁺ и CO₂⁻².Таким образом, чистый эффект заключается в том, что в почву выделяется больше ионов водорода, чем H, и, следовательно, кислотность почвы нейтрализуется.

Известняк кальцитовый

Молотый известняк содержит в основном карбонат кальция и, как правило, от 1 до 6 процентов магния. Его нейтрализующая способность зависит от чистоты и тонкости помола.

Доломитовый известняк

Молотый известняк представляет собой смесь карбоната кальция и карбоната магния. В некоторых штатах она должна содержать не менее 6 процентов Mg , чтобы ее можно было классифицировать как доломитовую известь.Его нейтрализующий эффект также зависит от его чистоты и тонкости помола.

Гидратированная известь

Гашеная известь (Ca (OH) ²) — это гидроксид кальция, иногда называемый гашеной или строительной известью. Гашеная известь порошкообразная, быстро действует и несколько неприятна в обращении. Значение нейтрализации колеблется от 120 до 135 по сравнению с чистым карбонатом кальция. 1500 фунтов гашеной извести с нейтрализующей силой 135 эквивалентны 2000 фунтов сельскохозяйственной извести с нейтрализующей силой 100.

Мергели

Мергели — это залежи карбоната кальция, смешанные с глиной и песком, которые встречаются в основном в прибрежной равнине восточных штатов. Их нейтрализующее значение обычно составляет от 70 до 90 процентов, в зависимости от количества содержащихся в них примесей, в основном глины. Их полезность в качестве известкования зависит от их нейтрализующей способности и стоимости обработки. Они часто бывают пластичными и комковатыми, и перед внесением в почву их необходимо высушить и измельчить.В мергелях обычно мало магния. Их реакция с почвой такая же, как у кальцитовой извести.

Основной шлак

Основной шлак — продукт основного мартеновского способа производства стали. Содержащийся кальций находится в форме силиката кальция и реагирует с кислотами почвы так же, как измельченный известняк. Его значение нейтрализации колеблется от 60 до 70, но поскольку основной шлак обычно имеет более мелкие частицы, чем сельскохозяйственная известь, он имеет тенденцию изменять pH почвы на быстрее, чем обычная сельскохозяйственная известь.Он также содержит от 2 до 6 процентов P₂O₅ и некоторые питательные микроэлементы и магний.

Молотые раковины устриц

Раковины устриц и другие ракушки в основном состоят из карбоната кальция. При тонком измельчении из них получается удовлетворительный известковый материал, а их нейтрализующая способность составляет от 90 до 110. Поскольку они состоят в основном из карбоната кальция, они содержат мало или совсем не содержат магния.

Жидкая известь

Известковый материал, обычно называемый жидкой известью, обычно состоит из тонкоизмельченного известняка, взвешенного в воде в соотношении примерно 50% воды к 50% известняка.В большинстве случаев производители жидкой извести используют очень мелко измельченный известняк, большая часть которого проходит через сито с размером ячеек 200 меш. Жидкая известь способна изменить pH почвы на за относительно короткий период времени. Это явное преимущество в ситуациях, когда известкование откладывается непосредственно перед посадкой, или в ситуациях, когда низкий уровень pH почвы обнаруживается после посадки культуры. Имейте в виду, поскольку жидкая известь содержит примерно 50 процентов воды, это означает, что фермер, применяющий жидкую известь из расчета 1000 фунтов на акр, будет вносить только 500 фунтов известняка.

Гранулированная известь

Гранулированная известь — это мелкоизмельченный сельскохозяйственный известняк, который гранулируется с помощью глины или синтетических связующих для производства гранул размером от 5 до 14 меш. Обычно около 70 процентов исходного известняка перед гранулированием проходит через сита от 100 до 200 меш. Его можно вносить обычными спинорными разбрасывателями удобрений, что делает его привлекательным в использовании. Неопубликованные исследования показывают, что гранулированной извести необходимо дать возможность вступить в реакцию с хорошими осадками или орошением на поверхности почвы, чтобы гранулы рассеялись до того, как она будет смешана с почвой.Если от 250 до 500 фунтов этого известковательного материала смешать с почвой до того, как гранула «растает», каждая гранула может повлиять на ограниченный объем почвы, и желаемое регулирование pH пахотного слоя может оказаться невозможным.

Использование жидкой извести и гранулированной извести

Жидкая и гранулированная известь являются отличными источниками извести, которые можно использовать при определенных обстоятельствах, таких как: Коррекция низкого уровня почвы pH после посадки культуры; Быстрое изменение в почве pH , если известкование откладывается непосредственно перед посадкой урожая; Для поддержания pH в оптимальном диапазоне для роста и урожайности растений.Однако не следует полагаться на эти два материала для известкования, чтобы поддерживать уровень pH в почве в течение всего периода вегетации сельскохозяйственных культур, если они вносятся с одной четвертой рекомендуемой нормы внесения извести.

Тонкость помола важна при выборе материалов для известкования

Качество извести измеряется тем, насколько эффективно она нейтрализует кислотность почвы. Во многом это определяется его химической чистотой и размером частиц. Чистота извести выражается в эквиваленте карбоната кальция (CCE). Это мера того, какая часть материала может реагировать с почвой для нейтрализации кислотности в идеальных условиях по сравнению с чистым карбонатом кальция.Известняк должен иметь нейтрализующее значение не менее 90 процентов. Даже если CCE извести является удовлетворительным, она не нейтрализует кислотность почвы, если известняк не будет тонко измельчен. Пытаясь получить более точную оценку содержания извести для измерения эффективности известкования материалов, лаборатории по тестированию почвы в некоторых штатах приняли эффективное содержание карбоната кальция для оценки материалов извести. Оценка эффективности достигается путем умножения эквивалента карбоната кальция на эффективное содержание карбоната кальция, которое основывается на крупности известкования.

Коэффициенты эффективности для известковых материалов

Следующий пример расчета «эффективного нейтрализующего значения» (ENV), используемый Университетом Иллинойса, служит для иллюстрации важности размера частиц извести в потенциальной нейтрализации кислотности почвы. ENV = Общая тонкость помола x (% эквивалента карбоната кальция / 100).

Предположим, что известкование имеет 96-процентный эквивалент карбоната кальция. После просеивания обнаружено, что известковый материал имеет следующий гранулометрический состав:

+8 меш = 4%
от –8 до +30 = 25%
от –30 до +60 меш = 26%
–60 меш = 45%

Общий коэффициент полезного действия тонкости может быть рассчитан для данного примера материала следующим образом:

+ эффективность 8 ячеек составляет 5%, поэтому.04 x 5 = 0,20
Эффективность сетки от –8 до 30 составляет 20%, поэтому 0,25 x 20 = 5,00
От –30 до +60 эффективность сетки составляет 50%, поэтому 0,26 x 50 = 13,00
— Эффективность 60 меш составляет 100%, поэтому 0,45 x 100 = 45,00

——————————— —————————————

Общая тонкость очистки за 1 год = 63,20

Следовательно, эффективное содержание карбоната кальция в ENV = 63,20 x (96/100) = 60.67 для этого примера известкования за первый год.

Эти расчеты позволяют производителю определить краткосрочную и долгосрочную ценность материала для известкования, рассматриваемого для покупки.

Большинство среднеатлантических и юго-восточных штатов используют раствор Mehlich I (двойная кислота) для извлечения P, K, Ca, Mg, , Mn и Zn. Большинство штатов Среднего Запада используют раствор Bray I для извлечения P. Для K, Mg, и Ca используется ацетат аммония. В регионах с известковыми почвами, таких как западный кукурузный пояс и Великие равнины, тест Олсена используется для извлечения P.

Факторы эффективности: сроки, размещение и частота внесения

Время

Для севооборотов, включающих бобовые, такие как люцерна или клевер, следует вносить известь, чтобы дать достаточно времени для реакции с почвой до посадки бобовых. В идеале известь следует вносить за три-шесть месяцев до посева целевой культуры. Применение даже непосредственно перед посадкой при хорошем заделке почвы может быть полезным на сильно кислых почвах. Некоторое снижение кислотности почвы все еще будет происходить, хотя максимальное повышение pH на обычно достигается не раньше, чем через год после внесения типичного сельскохозяйственного известняка.

Размещение

Размещение так же важно, как и качество извести. Максимальный контакт с почвой необходим для нейтрализации кислотности почвы. Наиболее распространенные материалы для известкования плохо растворяются в воде. Например, нитрат аммония примерно в 84000 раз более растворим, чем чистый карбонат кальция. Даже если известь правильно замешана в пахотном слое, она будет мало реагировать на сухую почву. Для реакции извести с почвой должна быть доступна влага. Возможно, лучший способ заделки извести или любого другого материала в слой плуга — это использовать два перпендикулярных прохода комбинированного диска, за которыми следует чизельный плуг.Глубокая вспашка извести не приводит к желаемому перемешиванию верхних слоев почвы от 6 до 8 дюймов. Однако, поскольку плуг или тяжелый тормозной диск переворачивает известь, это может помочь распределить известь в верхней части почвы. Выбор техники для обработки почвы будет зависеть от глубины, на которой нейтрализация кислотности почвы наиболее необходима. Хорошее горизонтальное и вертикальное перемешивание извести дает наилучшие результаты. В некоторых системах земледелия, таких как устоявшиеся многолетние дерновины или установившееся производство беспахотных культур, смешивание извести с пахотным слоем невозможно.Перед установкой этих систем возделывания следует добавить известь, чтобы отрегулировать уровень pH в пахотном слое до . После достижения желаемого значения pH , равного , его можно поддерживать поверхностными внесениями в этих системах нулевой обработки почвы. Известь, нанесенная на поверхность, реагирует медленнее, чем известь, смешанная с почвой, и обычно влияет только на значение pH в верхних 2–3 дюймах почвы. Исследования, проведенные в Университете штата Пенсильвания, показали, что поверхностное внесение известняка при нулевой обработке почвы может начать влиять на почву pH ниже 2-дюймовой глубины после четвертого года, если известь вносится примерно каждые три года.Известкование поверхности каждые три года с использованием 6000 фунтов извести / A было столь же выгодным, как и ежегодное внесение извести 3000 фунтов / A.

Частота

Чем интенсивнее выращивание сельскохозяйственных культур, чем выше расход азотных удобрений или навоза и чем выше урожайность (и удаление питательных веществ), тем больше и чаще будет потребность в извести. Отбор проб почвы — лучший способ оценить уровень pH почвы и потребность в извести.

Избыточная щелочность — естественная и индуцированная

Многие почвы в полузасушливых и засушливых регионах США имеют естественный высокий уровень pH , равный .Они могут содержать значительные количества «свободного карбоната кальция». Однако эти области не единственные, где есть проблемы, связанные с высоким значением pH , равным . Вода из ирригационных колодцев может содержать значительные количества карбоната кальция и / или магния в некоторых регионах США. Например, в районах Среднего Юга вода из некоторых оросительных колодцев содержит от 3 до 5 миллиэквивалентов бикарбоната на литр и от 3 до 5 миллиэквивалентов кальция. Акро-фут воды или более в год может доставить от 300 до 600 фунтов карбоната кальция и / или магния (извести) на акр.Системы дождевания равномерно распределяют известь в воде по полю. Если используются системы орошения «наводнением» или поливом по бороздам, большая часть извести из воды может выпадать в осадок в верхних областях полей, ближайших к водозаборным отверстиям и на пути потока воды. Фактически, почва известняется поливной водой. Если распределение и подача воды будут одинаковыми в течение нескольких лет, почва может стать щелочной, при этом уровень pH почвы поднимется до 7,0 и выше.Почва Повышение pH может приближаться к 0,2 pH единиц в год, пока не будет достигнуто равновесие с уровнями углекислого газа в атмосфере. Такое повышение pH почвы будет происходить быстрее на крупнозернистых почвах и почвах со средней текстурой, чем на глинах, которые более забуферены.

Если вода из колодца содержит значительно больше натрия по сравнению с кальцием или магнием, может существовать риск накопления натрия на трудно выщелачиваемых почвах. Это чаще вызывает большую озабоченность в засушливых регионах, чем во влажных.Почвы с естественным высоким уровнем натрия или почвы, получавшие большое количество бикарбоната натрия в результате орошения, могут иметь уровень pH , равный 8,5 или выше. Теоретически, если натрий не является фактором, даже если внесены большие количества карбоната кальция или магния, pH почвы не превысит 8,2-8,3. При pH 8,2 карбонат почвы достигает равновесия с уровнем углекислого газа в атмосфере. Если предполагается или известно, что оросительная вода содержит значительные количества солей извести и / или растворимых солей, образцы почвы следует собирать чаще, чтобы лучше контролировать уровень pH , соленость и катионный баланс почвы.Также следует периодически контролировать качество поливной воды.

Коррекция избыточной щелочности путем подкисления почвы

Элементарная сера может использоваться для подкисления щелочной почвы до желательного диапазона pH . Его также можно использовать для поддержания pH в желаемом диапазоне на почвах, которые имеют тенденцию становиться щелочными при уходе. Когда элементарная сера вносится в почву, она соединяется с кислородом и водой с образованием серной кислоты. Это окисление серы вызывается определенными микроорганизмами, и это может занять от трех до шести недель или дольше, в зависимости от почвенных условий.Чем мельче сера измельчается, тем быстрее превращается в сульфат и разбавленную серную кислоту. Скорость снижения pH с помощью элементарной серы может быть аналогична скорости повышения pH , вызванной известкованием. Чем больше в ней свободного карбоната кальция и чем больше буферная почва, тем больше времени потребуется для ее подкисления. Больше серы также потребуется на почвах, в которых присутствуют свободные карбонаты. Сульфат алюминия — еще одна добавка, часто используемая в декоративном садоводстве для подкисления почвы на грядках.Однако для того, чтобы произвести такое же подкисление, что и элементарная сера, требуется больше, хотя это дает преимущество более быстрой реакции. По сравнению с элементарной серой, скорость может быть в два-семь раз больше. Эта поправка мало используется в товарном сельском хозяйстве.

ПРИМЕЧАНИЕ: Если присутствуют свободные карбонаты, потребуются более высокие количества, чем указанные. Ссылка: «Western Fertilizer Handbook», восьмое издание. Калифорнийская ассоциация удобрений

Процедуры

Как и при исследовании почвы, важным этапом анализа растений является сбор образцов.Состав растений варьируется в зависимости от возраста, части растения, отобранного в пробе, состояния растения, сорта, погоды и других факторов. Поэтому необходимо следовать проверенным инструкциям по отбору проб. Большинство лабораторий предоставляют инструкции по отбору проб различных культур, а также информационные листы и инструкции по подготовке и отправке проб. Обычно предлагается представлять образцы как из хороших, так и из проблемных областей для сравнения, когда целью является диагностика. Поскольку опыт и знания жизненно важны для правильного отбора проб растений, советники по сельскому хозяйству или консультанты часто делают эту работу.

Четыре основных шага в анализе растений

• Отбор проб

• Подготовка проб

• Лабораторный анализ

• Интерпретация

На основе главы «Эффективное использование удобрений ». Доктор Клифф Синдер

Взаимодействие растений и почвы: поглощение питательных веществ | Изучайте науку в Scitable

Бейер П. Золотой рис и «Золотые» культуры для питания человека. Новое Биотехнология 27 , 478-481 (2010).

Бритто, Д. Т. и Х. Дж. Кронзукер. Клеточные механизмы транспорта калия в растениях. Physiologia Plantarum 133 , 637-650 (2008).

Коннолли, Э. Л. и Э. Л. Уокер. Пора качать железо: механизмы сигнализации о дефиците железа у высших растений. Текущее мнение по биологии растений 11 , 530-535 (2008).

Фергюсон Б. Дж. и др. . Молекулярный анализ бобовых культур Развитие узелков и ауторегуляция. Журнал интегративной биологии растений 52 , 61-76 (2010).

Грэм Л., Грэм Дж. И Л. Уилкокс. Биология растений. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall, 2006.

Guerinot M. L. & Y. Yi. Железо: питательно, ядовито и труднодоступно. Физиология растений 104 , 815-820 (1994).

Ад Р. и Х. Гиллебранд. Концепции заводов по добыче и распределению полезных ископаемых. Текущее мнение в области биотехнологии 12 , 161-168 (2001).

Джонс Б. и К. Юнг. Подземное освоение космоса: развитие архитектуры корневой системы. Current Opinion in Plant Biology 15 , 97-102 (2012).

Карандашов В., Бухер М. Симбиотический транспорт фосфата у арбускулярных микориз. Тенденции в растениеводстве 10 , 22-29 (2005).

Лопес-Бусио Дж. и др. . Роль доступности питательных веществ в регулировании корневой архитектуры. Текущий Заключение по биологии растений 6 , 280-287 (2003).

Лимпенс Э. и Т. Бисселинг. Сигнализация в симбиозе. Текущее мнение по биологии растений 6 , 343-350 (2003).

Nehls U. и др. . Сахар для моего меда: углеводы расщепление в эктомикоризном симбиозе. Фитохимия 68 , 82-91 (2007).

Nehls U. Мастеринг эктомикоризный симбиоз: влияние углеводов. Журнал экспериментальной ботаники 59 , 1097-1108 (2008).

Pyo Y.J. и др. . Высокое сродство K ⁺ Транспортировка арабидопсиса: AtHAK5 и AKT1 имеют жизненно важное значение для создания рассады и рост после прорастания в условиях низкого содержания калия. Физиология растений 153 , 863-875 (2010).

Sprent J. 60 млн лет зернобобовых культур узловатость. Какие новости? Что меняется? Журнал Экспериментальной ботаники 59 , 1081-1084 (2008).

Вэнс К. Симбиотик Азотфиксация и поглощение фосфора. Питание растений в мире Снижение возобновляемых ресурсов. Завод Физиология 127 , 390-397 (2001).

Very, A. & H. Sentenac. Молекулярные механизмы и регуляция транспорта K ⁺ в высших Растения. Annual Review Plant Biology 54 , 575-603 (2003).

Управление почвами

Текстура почвы и Структура почвы — это уникальные свойства почвы, которые будут иметь глубокое влияние на поведение почвы, такие как водоудерживающая способность, удержание и поставка питательных веществ, дренаж и вымывание питательных веществ. По плодородию почвы более грубые почвы обычно имеют меньшую способность удерживать и удерживать питательные вещества, чем более мелкие почвы. Однако эта способность снижается, поскольку мелкозернистые почвы подвергаются интенсивному выщелачиванию во влажной среде. Текстура почвы Текстура почвы играет важную роль в управлении питательными веществами, поскольку влияет на удержание питательных веществ. Например, почвы с более мелкой текстурой, как правило, обладают большей способностью накапливать почвенные питательные вещества. В нашем обсуждении минерального состава почвы мы упоминали, что минеральные частицы почвы присутствуют в широком диапазоне размеров. Напомним, что фракция мелкозема включает все частицы почвы размером менее 2 мм. Частицы почвы в этой фракции делятся на 3 отдельных класса размеров, которые включают песок, ил и глину. Размер песчинок колеблется от 2,0 до 0,05 мм; ил 0,05 мм и 0,002 мм; и глина менее 0,002 мм. Обратите внимание, что частицы глины могут быть более чем в тысячу раз меньше, чем частицы песка.Эта разница в размерах в значительной степени связана с типом основного материала и степенью выветривания. Частицы песка, как правило, являются первичными минералами, не претерпевшими значительного выветривания. С другой стороны, частицы глины являются вторичными минералами, которые являются продуктами выветривания первичных минералов. По мере того как выветривание продолжается, частицы почвы разрушаются и становятся все меньше и меньше. Текстурный треугольник Текстура почвы — это относительные пропорции песка, ила или глины в почве.Текстурный класс почвы представляет собой группу почв, основанную на этих относительных пропорциях. Почвы с самой мелкой текстурой называются глинистыми почвами, а почвы с самой крупной текстурой — песками. Однако почва, которая имеет относительно однородную смесь песка, ила и глины и проявляет свойства каждого по отдельности, называется суглинком. Существуют разные типы суглинков, в основе которых наиболее часто присутствует отдельная почва. Если процентное содержание глины, ила и песка в почве известно (в основном посредством лабораторного анализа), вы можете использовать текстурный треугольник для определения класса текстуры вашей почвы. Рисунок 15 . Текстурный треугольник. Текстурный треугольник описывает относительные пропорции песка, ила и глины в различных типах почв. Источник: http://soils.usda.gov/technical/manual/print_version/complete.html Основные текстурные классы почв Мауи представлены в Таблице 3 . Каждый из текстурных классов, перечисленных в таблице 3, представляет собой мелкозернистые почвы. Как видите, исследования почвы показывают, что более 90% почв Мауи имеют мелкозернистую структуру.Это во многом связано с типом материнского материала большинства почв Гавайев, которым является базальт. Поскольку базальт представляет собой камень с мелкой текстурой, он превращается в мелкозернистую почву. Относительное количество глины имеет большое значение в почве. Таблица 3. Основные текстурные классы почв Мауи Текстурный класс Процент почв Мауи, относящихся к основным классам текстуры Глина илистая 44% Суглинок илистый 23% Суглинок илистый 11% Суглинок 10% Глина 5% Чтобы узнать больше о текстурном треугольнике и текстурных классификациях почвы, нажмите на анимацию из Университета штата Северная Каролина ниже: http: // course.почва.ncsu.edu/resources/physics/texture/soiltexture.swf Важность глины и других частиц аналогичного размера Частицы глины, как и другие частицы аналогичного размера, являются важными компонентами почвы. Существует фундаментальная разница между почвами, которые содержат большое количество частиц песка, и почвами, которые содержат большое количество очень мелких частиц, таких как глина. Эта разница — площадь поверхности. Общая площадь поверхности данной массы глины более чем в тысячу раз превышает общую площадь поверхности частиц песка той же массы.Чтобы представить эту идею в перспективе, представьте себе один куб с 6 сторонами. Этот куб представляет собой частицу песка. Теперь представьте, что вы разбиваете этот единственный куб на 100 кубиков меньшего размера, которые представляют собой 100 частиц глины. У этих 100 кубиков по 6 сторон. По сути, разбив большой куб, вы открыли намного больше поверхностей. Таким образом, общая площадь поверхности меньших кубиков будет намного больше, чем площадь поверхности одного куба. Для дальнейшего изучения этой концепции просмотрите короткую анимацию, щелкнув следующую ссылку на Университет штата Северная Каролина: http: // курсы.почва.ncsu.edu/resources/physics/texture/soilgeo.swf Это увеличение площади поверхности имеет важное значение для управления питательными веществами, поскольку оно предоставляет много мест для частиц почвы, чтобы удерживать и поставлять питательные вещества (такие как кальций, калий, магний, фосфаты) и воду для поглощения растениями Типы очень мелких частиц в почве Наиболее распространенные глинистые минералы в почве Мауи — это слоистых силикатных глин, или филлосиликатов .Существуют различные типы слоистых силикатов, такие как каолинит, галлуазит, монтмориллонит и вермикулит. Как мы обсудим позже, различные типы слоистых силикатов сильно различаются. Для получения дополнительных сведений о различных минералах слоистой силикатной глины щелкните ссылку ниже и прокрутите вниз до «Филосиликатной комнаты»: http://www.soils.wisc.edu/virtual_museum/silicates.html Аморфные минералы, такие как аллофан , имоголит и ферригидрид , можно найти в вулканических почвах Гавайев, образовавшихся из вулканического пепла.Как и силикатные глины, эти минералы имеют очень большую площадь поверхности. В результате почвы с аморфными минералами содержат большое количество воды и запасенных питательных веществ, в зависимости от степени выветривания. Оксиды алюминия и железа обычно встречаются в сильно выветренных почвах тропиков. По мере интенсивного выветривания глинистых минералов структура силикатных глин изменяется. В частности, силикатные глины теряют кремнезем. В почве остаются оксиды алюминия и железа.Гиббсит является примером оксида алюминия, который имеет серовато-беловатый оттенок. Гетит является примером оксида железа, придающего почве красноватый цвет. Свойства оксидов Оксиды достаточно стабильны и устойчивы к дальнейшим атмосферным воздействиям. Оксиды могут действовать как клей и удерживать вместе другие частицы почвы. Оксиды могут связывать питательные вещества, например фосфор. Оксиды обладают высокой анионообменной емкостью (AEC). Гумус — это часть органического вещества, которая наиболее устойчива к разложению и остается в почве. Гумус состоит из мелких частиц с огромной площадью поверхности. Эти частицы обладают очень большой способностью удерживать и поставлять питательные вещества, а также удерживать воду. Структура почвы Структура почвы — это расположение частиц почвы в группы.Эти группы называются педами или агрегатами, которые часто образуют отличительные формы, обычно встречающиеся в определенных горизонтах почвы. Например, для поверхностного горизонта характерны зернистые частицы почвы. Агрегация почвы является важным показателем обрабатываемости почвы. Считается, что хорошо агрегированные почвы имеют «хорошую вспашку». Различные типы грунтовых конструкций представлены в Таблица 4 . Таблица 4 .Типы почвенных структур в почвах Источник: http://www.cst.cmich.edu/users/Franc1M/esc334/lectures/physical.htm Почвенные агрегаты Обычно только очень мелкие частицы образуют агрегаты, которые включают силикатные глины, минералы вулканического пепла, органические вещества и оксиды. Существуют различные механизмы агрегации почвы. Механизмы агрегации почвы Почвенные микроорганизмы выделяют вещества, которые действуют как вяжущие вещества и связывают частицы почвы. У грибов есть волокна, называемые гифами, которые проникают в почву и связывают частицы почвы вместе. Корни также выделяют в почву сахар, который помогает связывать минералы. Оксиды также действуют как клей и соединяют частицы вместе. Этот процесс агрегации очень характерен для многих сильно выветрившихся тропических почв и особенно распространен на Гавайях. Наконец, частицы почвы могут естественным образом притягиваться друг к другу за счет электростатических сил, подобно притяжению между волосами и воздушным шаром. Общая стабильность Стабильная агрегация почв — очень ценное свойство продуктивных почв. Тем не менее, устойчивость почвенной агрегации во многом зависит от типа минералов, присутствующих в почве. Некоторые глинистые минералы образуют очень устойчивые агрегаты, в то время как другие глинистые минералы образуют слабые агрегаты, которые очень легко распадаются. Сильно выветрившиеся силикатные глины, оксиды и аморфные вулканические материалы, как правило, образуют наиболее устойчивые агрегаты.Присутствие органических веществ в этих материалах улучшает образование стабильных агрегатов. В управлении питательными веществами важна агрегированная стабильность, потому что хорошо агрегированные минералы хорошо дренируются и вполне пригодны для обработки. Напротив, менее выветрившиеся силикатные глины, такие как монтмориллонит, образуют слабые агрегаты. Некоторые силикатные глины обладают способностью к набуханию при усадке. Это означает, что минеральные вещества почвы расширяются или набухают во влажном состоянии, в результате чего почва становится липкой и плохо дренируется.При высыхании эти почвы усыхают и образуют трещины. Состав кристаллической решетки силикатных глин определяет потенциал набухания при усадке. Хотя на Мауи нет почв, способных к набуханию при усадке, эти почвы можно найти на Молокаи. Для простого обсуждения химического состава почвенных глин щелкните следующую ссылку: http://www.aehsmag.com/issues/2002/june/soilclays.htm Чтобы узнать больше о структуре силикатных глин, щелкните следующую ссылку из Университета Флориды: http: // grunwald.ifas.ufl.edu/Nat_resources/silicates/silicates.htm

Биота почвы | Изучайте науку в Scitable

Агрегаты : расположение или структура частиц почвы, удерживаемых в единой массе или кластере. Агрегаты определяются размером и четкостью формы. (Брэди и Вейл, 2002)

Анаэробный : клеточное дыхание без кислорода.

Аноксический : Без кислорода.

Археи : Группа прокариот (одноклеточных организмов), филогенетически отличных от бактерий.

Автотрофная нитрификация : Осуществляется нитрифицирующими бактериями и археями. Это процесс, в котором аммоний окисляется и превращается в нитрит, а нитрит превращается в нитрат. Неорганический азот служит источником энергии. Закись азота является побочным продуктом этого процесса. (Сильвия 2005)

Биогеохимический цикл : Преобразование и круговорот элементов между неживым (абиотическим) и живым (биотическим) веществом через границы раздела суши, воздуха и воды.(Мэдсен 2008)

Коллемболы — микроартроподы. : Бескрылые насекомые длиной несколько миллиметров и шириной от 0,2 до 2 мм. Они находятся на поверхности почвы и в растительной подстилке или вблизи нее. Население колеблется от 10 ³ м ^-2 на сельскохозяйственных почвах до 10 ⁶ м ^-2 на лесных почвах. (Сильвия и др. .2005)

Хемогетеротрофы : организмы, получающие энергию и углерод в результате окисления органических соединений (Сильвия и др. .2005)

Денитрификация : форма анаэробного дыхания, которая приводит к преобразованию NO ₃ ^— в основном в N ₂ O и элементарный N (N ₂ ) (Sylvia et al .2005)

Drilosphere : Часть объема почвы, на которую влияют выделения дождевых червей. (Coleman и др. .2004)

Дождевые черви : Олигохеты, обитающие в почве. Эти черви имеют сегментированное строение тела.Благодаря своей деятельности дождевые черви могут стимулировать микробную активность, перемешивать почвы и способствовать формированию структуры почвы, а также перемещать растительный материал с поверхности в нижние слои почвы. Oligochaete — особый класс сегментированных червей, включая дождевых червей, у которых мало ( oligo ) щетинок на теле ( chaeta ). (Сильвия и др. .2005)

Enchytraeids : Небольшие (10-20 мм в длину) непигментированные наземные олигохеты, называемые горшечными червями.(Coleman и др. .2004)

Влагоемкость поля или влажная почва поля : Содержание влаги в почве, выраженное в процентах от сухой массы печи, после отвода гравитационной или свободной воды; влажность поля через 2-3 дня после проливного дождя; также называется нормальной емкостью поля , нормальной влагоемкостью, или капиллярной емкостью . Словарь терминов почвоведения. (Мэдисон, Висконсин: ASA, CSSA и SSSA 2010).

Общее подавление : Конкуренция грибков и бактерий в фрагментах корней, что снижает плотность инокулята патогена.(Сильвия 2005)

Гифы : Длинная и часто разветвленная трубчатая нить, которая составляет вегетативное тело многих грибов и грибоподобных организмов. (Сильвия 2005)

Краеугольные организмы : виды, которые оказывают несоразмерное воздействие на окружающую среду по сравнению с их биомассой. (Пейн 1995)

Macroarthropod : Более крупные насекомые и пауки являются примерами этой группы организмов. Типичная длина тела колеблется от 10 мм до 15 см.(Coleman и др. .2004)

Макрофауна : Дождевые черви, термиты, навозные жуки и т. Д. — важные биологические агенты, фрагментирующие органические остатки и вызывающие воздействие на большую площадь поверхности. Они также способствуют образованию почвенных агрегатов и почвенных пор. (Гупта и др. .1997)

Микробная биомасса : Общая масса микроорганизмов, живущих в данном объеме или массе почвы. (Сильвия 2005)

Микрофлора : Бактерии и грибы обладают разнообразными метаболическими способностями и являются основными агентами круговорота питательных веществ (например,г., азот, фосфор и сера). Они могут быть свободноживущими или симбиотическими и активными в разложении или наращивании органического вещества. Они также помогают в формировании устойчивых агрегатов почвы. (Гупта и др. .1997)

Микрофауна : Простейшие и нематоды являются важным связующим звеном между микрофлорой и более крупной фауной. Они регулируют популяции бактерий и грибов и играют важную роль в минерализации питательных веществ. (Гупта и др. .1997)

Микроартроподы : Членистоногие микрометрового размера, с сегментированными телами, сочлененными ногами и кутикулой, которая действует как экзоскелет.Две наиболее распространенные группы почвенных микроартропод — это коллемболы и клещи. (Сильвия и др. .2005)

Минерализация : Преобразование элемента из органической формы в неорганическое состояние в результате микробного разложения. (Сильвия и др. .2005)

Клещи : микроартроподы с овальным телом, четырьмя парами ног и кутикулой, которая действует как экзоскелет. (Сильвия и др. .2005)

Мезофауна : Клещи и коллемболы питаются подстилкой и помогают фрагментировать органические остатки.Они являются хищниками грибов и микрофауны, играя важную роль в регулировании микробных популяций и круговорота питательных веществ. (Гупта и др. .1997)

Mucilages : Желатиновые выделения и экссудаты, продуцируемые корнями растений и многими микроорганизмами. (Сильвия 2005)

Нематоды : также известные как круглые черви, представляют собой цилиндрические несегментированные черви с заостренными концами. Они достаточно малы (от 100 до 1000 мкм в длину и от 5 до 100 мкм в диаметре), чтобы поместиться в существующих порах агрегатов.(Сильвия 2005)

Педология : «Изучение почв как естественных тел, свойств почвенных горизонтов и взаимосвязей между почвами в ландшафте» (Brady & Weil 2002). Термин был введен Ф.А.Фаллоу в 1862 году, но популяризировал его Василий Докучаев, основавший дисциплину педологии. (Саймонсон 1999)

Педосфера : используется взаимозаменяемо с почвой и отражает концепцию, согласно которой почва является средой обитания, в которой происходит интеграция горных пород (литосфера), воздуха (атмосфера), воды (гидросфера) и живых существ (биосфера).(Брэди и Вейл, 2002)

Protozoa : одноклеточный эукариотический микроорганизм, который перемещается протоплазматическим потоком (амеба), жгутиками (жгутиконосцами) или ресничками (инфузории). Большинство видов питаются бактериями, грибами или частицами детрита. (Сильвия 2005)

Ризосфера : Зона почвы под влиянием корней растений. (Сильвия и др. .2005)

Почва : Естественный рыхлый материал на поверхности земли, на который повлияли материнский материал, климат (включая влияние влаги и температуры), макро- и микроорганизмы и рельеф, которые действуют в течение периода время для создания почвы, которая может отличаться от материала, из которого она была получена, по многим физическим, химическим, минералогическим, биологическим и морфологическим свойствам.Словарь терминов почвоведения. (Мэдисон, Висконсин: ASA, CSSA и SSSA 2010).

Почвенная биота : состоит из микроорганизмов (бактерий, грибов и водорослей), почвенных животных (простейшие, нематоды, клещи, коллембол, пауки, насекомые и дождевые черви) и растений, живущих всю или часть своей жизни в или на почва или педосфера.

Почвенная фауна : Коллекция всех микро- и макроскопических животных в данной почве.

Пищевая сеть почвы : Состоит из сообщества организмов, которые всю или часть своей жизни живут в педосфере и опосредуют перенос питательных веществ между живыми (биотическими) и неживыми (абиотическими) компонентами педосферы посредством ряда преобразования энергии и питательных веществ по мере того, как один организм или вещество потребляется другими организмами.(Сильвия и др. .2005)

Органическое вещество почвы : Органическая фракция почвы, за исключением остатков неразложившихся растений и животных (Sylvia 2005)

Структура почвы : Композиция частиц почвы в небольшие комки, называемые глыбами. Подобно тому, как ингредиенты в тесте для торта связываются вместе, образуя пирог, частицы почвы (песок, ил, глина и даже органические вещества) связываются вместе, образуя лепешки. Пешеходы имеют различную форму в зависимости от их «ингредиентов» и от условий, в которых они образовались: намокание и высыхание или замерзание и оттаивание — или даже люди, идущие или возделывающие землю.Формы педов примерно напоминают шары, блоки, колонны и тарелки. Между педалями есть промежутки или поры, в которых могут перемещаться воздух, вода и организмы. Размеры пор и их форма варьируются от структуры почвы к структуре почвы. Словарь терминов почвоведения. (Мэдисон, Висконсин: ASA, CSSA и SSSA 2010).

Текстура почвы : частицы, из которых состоит почва, подразделяются на три группы по размеру: песок, ил и глина. Частицы песка самые большие, а частицы глины самые маленькие.Хотя почва может состоять из песка, глины или ила, это бывает редко. Вместо этого большинство почв представляют собой комбинацию этих трех. Относительное процентное содержание песка, ила и глины — вот что придает почве ее текстуру. Например, суглинистая почва содержит примерно равные части песка, ила и глины. Словарь терминов почвоведения. (Мэдисон, Висконсин: ASA, CSSA и SSSA 2010).

Специфическое подавление : Микроорганизмы-антагонисты в ризосфере и в молодых поражениях корней, которые ограничивают инфекцию и вторичное распространение патогена по беговым гифам вдоль корней.(Сильвия 2005)

Водоудерживающая способность почвы : Отношение объема воды, которую пористая среда после насыщения будет удерживать против силы тяжести, к объему пористой среды (Ломан и др. .1972).

Трофические уровни : Уровни пищевой цепи. К первому трофическому уровню относятся фотосинтезаторы, получающие энергию от солнца. Организмы, питающиеся фотосинтезаторами, составляют второй трофический уровень. Организмы третьего трофического уровня поедают организмов второго уровня и так далее.Это упрощенный способ мышления о пищевой сети. На самом деле некоторые организмы поедают представителей нескольких трофических уровней. Веб-сайт Службы охраны природных ресурсов (NRCS), биология почвы, 2000 г. (проверено 20 июля 2011 г.) (http://www.soils.usda.gov/sqi/concepts/)

Роль pH почвы в питании растений и восстановлении почвы

В естественной среде pH почвы оказывает огромное влияние на биогеохимические процессы почвы. Таким образом, pH почвы описывается как «основная переменная почвы», которая влияет на множество биологических, химических и физических свойств почвы и процессов, влияющих на рост растений и урожай биомассы.В этой статье обсуждается, как pH почвы влияет на процессы, которые взаимосвязаны с биологическими, геологическими и химическими аспектами почвенной среды, а также как эти процессы в результате антропогенного вмешательства вызывают изменения pH почвы. В отличие от традиционных дискуссий о различных причинах pH почвы, особенно подкислении почвы, в этой статье основное внимание уделяется взаимосвязям и эффектам в том, что касается биогеохимии почвы. Во-первых, обсуждается влияние pH почвы на доступность, подвижность и биологические процессы в почве, а затем следует биогенное регулирование pH почвы.Сделан вывод о том, что pH почвы может широко применяться в двух широких областях, а именно, круговорот питательных веществ и питание растений и ремедиация почвы (биоремедиация и физико-химическая ремедиация).

1. Введение

Для многих pH почвы важен только для химического состава и плодородия почв. Однако признание функций почвы за пределами обеспечения растений питательными веществами и роли почвы как среды для роста растений потребовало изучения почвы и ее свойств в свете более широких функций экосистемы с использованием междисциплинарного подхода.Это позволяет ученым рассматривать процессы от ландшафта до регионального и глобального уровней. Одним из процессов, который обозначает мультидисциплинарный подход к почвоведению, является биогеохимия почв, изучающая биогеохимические процессы. Экосистемные функции почвы в некоторой степени тесно связаны с почвенными биогеохимическими процессами, которые являются связующим звеном между биологическими, химическими и геологическими процессами [1]. Почва является важнейшим элементом систем жизнеобеспечения, поскольку она обеспечивает ряд экосистемных товаров и услуг, таких как хранение углерода, регулирование водных ресурсов, плодородие почвы и производство продуктов питания, которые влияют на благосостояние человека [2–4].Эти экосистемные товары и услуги в широком смысле классифицируются как поддерживающие, обеспечивающие, регулирующие и культурные услуги [5]. Согласно оценке экосистем на пороге тысячелетия [5], функции обеспечения и регулирования оказывают наибольшее влияние на компоненты благополучия человека с точки зрения безопасности, основного материала для хорошей жизни, здоровья и хороших социальных отношений.

В естественной среде pH почвы оказывает огромное влияние на биогеохимические процессы в почве.Таким образом, pH почвы описывается как «основная переменная почвы», которая влияет на множество биологических, химических и физических свойств почвы и процессов, влияющих на рост растений и урожай биомассы [6, 7]. PH почвы сравнивается с температурой пациента во время постановки медицинского диагноза, потому что он легко дает представление о состоянии почвы и ожидаемом направлении многих почвенных процессов (выступление с лекцией заслуженного профессора Эрика Ван Ранста, Гентский университет). Например, pH почвы регулируется выщелачиванием основных катионов, таких как Ca, Mg, K и Na, далеко за пределы их высвобождения из выветрившихся минералов, оставляя ионы H ⁺ и Al ³⁺ доминирующим способным к обмену катионам; растворение CO ₂ в почвенной воде с образованием углекислоты, которая диссоциирует и высвобождает ионы H ⁺ ; гуминовые остатки от гумификации органического вещества почвы, в результате чего образуются карбоксильные и фенольные группы высокой плотности, которые диссоциируют с высвобождением ионов H ⁺ ; нитрификация до дает ионы H ⁺ ; удаление азота из продуктов растительного и животного происхождения; и поступления от кислотных дождей и поглощения азота растениями [8].С другой стороны, pH контролирует биологию почвы, а также биологические процессы. Следовательно, существует двунаправленная связь между pH почвы и биогеохимическими процессами в наземных экосистемах, особенно в почве. В этом смысле pH почвы влияет на многие биогеохимические процессы, тогда как некоторые биогеохимические процессы, в свою очередь, в некоторой степени влияют на pH почвы, как показано на Рисунке 1.

На протяжении многих десятилетий интенсивные исследования показали, что pH почвы влияет на многие биогеохимические процессы.Недавние успехи в исследованиях сделали интригующие открытия о важной роли pH почвы во многих почвенных процессах. Это важное свойство почвы контролирует взаимодействие ксенобиотиков в трех фазах почвы, а также их судьбу, перемещение и трансформацию. Таким образом, pH почвы определяет судьбу веществ в почвенной среде. Это влияет на рециркуляцию и доступность питательных веществ для растениеводства, распространение вредных веществ в окружающей среде и их удаление или перемещение.Функциональная роль pH почвы в биогеохимии почвы использовалась для восстановления загрязненных почв и контроля над перемещением и преобразованием загрязнителей в окружающей среде. К сожалению, во многих исследованиях pH почвы часто измеряется случайно как норма без тщательного учета его роли в почве. В этой статье делается попытка изучить важность pH как индикатора биогеохимических процессов почвы в исследованиях окружающей среды, обсуждая биогеохимические процессы, на которые влияет pH почвы, биогеохимические процессы, которые также контролируют pH почвы, и актуальность этой взаимосвязи для будущих исследований. планирование и развитие.

2. Биогеохимические процессы, на которые влияет pH почвы

2.1. Транслокация вещества

Одновременно, в соответствии с биохимическими изменениями, физико-химические процессы, включая растворение, осаждение, адсорбцию, разбавление, улетучивание и другие, влияют на качество фильтрата [9].

2.1.1. Подвижность микроэлементов

pH почвы контролирует растворимость, подвижность и биодоступность микроэлементов, которые определяют их перемещение в растениях [10].Это в значительной степени зависит от распределения элементов между твердой и жидкой фазами почвы через реакции осаждения-растворения [10, 11] в результате pH-зависимых зарядов в минеральных и органических фракциях почвы. Например, отрицательные заряды преобладают при высоких значениях pH, тогда как положительные заряды преобладают при низких значениях pH [12]. Кроме того, количество растворенного органического углерода, которое также влияет на доступность микроэлементов, контролируется pH почвы. При низком pH микроэлементы обычно растворимы из-за высокой десорбции и низкой адсорбции.При промежуточном pH тенденция адсорбции микроэлементов увеличивается от почти полного отсутствия адсорбции до почти полной адсорбции в узком диапазоне pH, который называется границей адсорбции pH [13]. С этого момента элементы полностью адсорбируются [13]. Например, Брэдл [13] обнаружил, что при pH 5,3 адсорбция Cd, Cu и Zn на осадочном композите, состоящем из оксидов Al, Fe и Si, составляет 60%, 62% и 53% соответственно. . Напротив, он обнаружил, что 50% Cd и Zn сорбируются гуминовыми кислотами при pH 4.8–4,9 [13]. Судьба легко доступных микроэлементов зависит как от свойств их ионных форм, образующихся в почвенном растворе, так и от химической системы почвы, помимо самого pH почвы [14]. Исследования показали, что с увеличением pH почвы растворимость большинства микроэлементов будет снижаться, что приводит к низким концентрациям в почвенном растворе [14]. Любое увеличение или уменьшение pH почвы оказывает явное влияние на растворимость металлов. Вероятно, это может зависеть от ионных разновидностей металлов и направления изменения pH.Ренгель [15] заметил, что растворимость двухвалентных металлов снижается в сотни раз, а трехвалентных — в тысячу раз. Напротив, Ферстер [10] обнаружил, что снижение pH почвы на одну единицу приводит к десятикратному увеличению растворимости металлов. В ходе эксперимента он заметил, что при pH 7 только около 1 мг Zn · L ^-1 из 1200 мг · кг ^-1 общего содержания Zn присутствовало в почвенном растворе. При pH 6 концентрация достигала 100 мг Zn · L ^-1 , тогда как при pH 5 присутствовало 40 мг Zn · L ^-1 .Помимо адсорбции, концентрации микроэлементов при высоком pH почвы также могут быть вызваны осаждением карбонатов, хлоридов, гидроксидов, фосфатов и сульфатов [11, 16]. Апатит и известь, внесенные в почвы, оказали наибольшее влияние на pH и одновременно снизили концентрации доступных, вымываемых и биодоступных Cu и Cd [16].

2.1.2. Подвижность органических фракций почвы

Органическое вещество почвы существует в различных фракциях, начиная от простых молекул, таких как аминокислоты, мономерные сахара и т. Д.в полимерные молекулы, такие как целлюлоза, белок, лигнин и т. д. Они встречаются вместе с неразложившимися и частично разложившимися растительными и микробными остатками [17]. Растворимость и подвижность фракций различаются во время и после разложения и могут привести к выщелачиванию растворенного органического углерода и азота в некоторых почвах. Растворенный органический углерод определяется как размер органического углерода, который проходит через фильтр диаметром 0,45 мм [18]. PH почвы увеличивает растворимость органического вещества почвы за счет увеличения диссоциации кислотных функциональных групп [19] и уменьшает связи между органическими компонентами и глинами [20].Таким образом, содержание растворенного органического вещества увеличивается с увеличением pH почвы и, следовательно, минерализуемых C и N [20]. Это объясняет сильное влияние щелочных условий pH почвы на вымывание растворенного органического углерода и растворенного органического азота, наблюдаемое во многих почвах, содержащих значительные количества органического вещества [19, 21]. То же наблюдение было сделано для концентрации растворенного органического углерода в почвах торфяников [22]. PH-зависимость концентрации растворенного органического углерода становится более выраженной после pH 6 [23].

В условиях pH в конкретной почвенной системе растворимость органического вещества сильно зависит от типа основания и особенно выше в присутствии одновалентных катионов, чем в случае поливалентных [23]. Согласно Андерссону и Нильссону [24] и Андерссону и др. [19], pH почвы контролирует растворимость органических веществ двумя основными способами: (i) его влияние на плотность заряда гуминовых соединений и (ii) либо стимуляция, либо подавление микробной активности.Первое оказывается более выраженным, чем второе [19].

2.2. Биологические процессы почвы

2.2.1. Микробные экофизиологические индикаторы

Экофизиология — это взаимосвязь между физиологическим функционированием клетки под влиянием факторов окружающей среды [25]. Он рассчитывается с использованием метаболического коэффициента ( _q CO ₂ ) в качестве индекса [25], показывающего эффективность использования органического субстрата почвенными микробами в конкретных условиях [26].Уменьшение дыхания микробного сообщества делает C доступным для производства большего количества биомассы, что дает более высокую биомассу на единицу [27]. Таким образом, метаболический коэффициент описывается как физиологическая единица, отражающая изменения в условиях окружающей среды [25]. Это означает, что любое изменение условий окружающей среды в сторону неблагоприятного состояния будет обозначаться индексом [25]. Это контролируется pH почвы [28]. PH почвы как движущая сила для микробных экофизических показателей проистекает из его влияния на микробное сообщество вместе с требованиями сообщества к поддержанию [28] и был одним из предикторов метаболического коэффициента [29, 30].Было обнаружено, что метаболический коэффициент в почвах с низким pH в два с половиной раза выше, чем в почвах с нейтральным pH [28]. Это было связано с отклонением внутреннего pH клетки (обычно поддерживаемого на уровне 6,0) от окружающих условий pH, что увеличивает требования к содержанию и снижает общую продуцируемую микробную биомассу [25].

Из литературы следует, что условия pH почвы, необходимые для микробной активности, находятся в диапазоне 5,5–8,8 [26, 31, 32]. Таким образом, дыхание почвы часто увеличивается с увеличением pH почвы до оптимального уровня [26].Это также коррелирует с содержанием C и N в микробной биомассе, которое часто выше pH 7 [26]. В условиях низкого pH дыхание грибов обычно выше, чем дыхание бактерий, и наоборот [25], потому что грибы более приспособлены к кислым условиям почвы, чем бактерии.

2.2.2. Активность почвенных ферментов

Внеклеточные ферменты вырабатываются почвенными микроорганизмами для биогеохимического круговорота питательных веществ [33]. PH почвы важен для правильного функционирования активности ферментов в почве [34, 35] и может косвенно регулировать ферменты, воздействуя на микробы, которые их производят [36].Однако в биологических системах существует множество ферментов, которые способствуют преобразованию различных веществ. Кроме того, ферменты бывают разного происхождения и с разной степенью стабилизации на твердых поверхностях. Таким образом, pH, при котором они достигают своей оптимальной активности (pH optima), вероятно, будет отличаться [33]. Поразительно, что ферменты, действующие на одни и те же субстраты, могут значительно различаться по оптимуму pH. Это очевидно для фосфорных ферментов, которые имеют как кислотные, так и щелочные окна функционирования в диапазоне pH 3-5.5 и pH 8,5–11,5 [33]. В исследовании оптимального pH для специфической активности ферментов в почвах семи влажных тропических лесов в Центральной Панаме Тернер [33] классифицировал ферменты на три группы в зависимости от их оптимума pH, обнаруженного в почвах. Это были: (а) ферменты с кислым оптимумом, которые оказались одинаковыми для разных почв, (б) ферменты с кислым оптимумом рН, который варьировался между почвами, и (в) ферменты с оптимумом как по кислому, так и по щелочному рН почвы. Стурсова и Уокер [37] обнаружили, что фосфорорганическая гидролаза имеет оптимальную активность при более высоких значениях pH.Например, гликозидазы имеют оптимальный диапазон pH от 4 до 6 по сравнению с протеолитическими и окислительными ферментами, оптимумы которых составляли от 7 до 9 [35, 36, 38]. Изменения в составе микробного сообщества могут потенциально влиять на производство ферментов, если разные группы микробов требуют более низких концентраций питательных веществ для создания биомассы или имеют ферменты, которые различаются по сродству к питательным веществам [39].

2.2.3. Биодеградация

Почвенные микроорганизмы описаны как экосистемные инженеры, участвующие в преобразовании веществ в почве.Одним из таких преобразований является биодеградация, процесс, посредством которого микробы восстанавливают загрязненные почвы, превращая токсичные вещества и ксенобиотики в наименее или более токсичные формы. Биодеградация — это химическое растворение органических и неорганических загрязнителей микроорганизмами или биологическими агентами [34, 40]. Как и многие биологические процессы в почве, pH почвы влияет на биодеградацию через свое влияние на микробную активность, микробное сообщество и разнообразие, ферменты, которые помогают в процессах деградации, а также на свойства веществ, подлежащих разложению.PH почвы был наиболее важным свойством почвы при разложении атразина [41]. Как правило, щелочной или слабокислый pH почвы усиливает биоразложение, тогда как кислая среда ограничивает биоразложение [34, 37, 42]. Обычно оптимальными для разложения масла считаются значения pH от 6,5 до 8,0 [43]. В этом диапазоне определенные ферменты действуют в пределах определенного спектра pH. Например, пестицид фенамифос разложился в двух почвах Соединенного Королевства с высоким pH (> 7,7) и двух австралийских почвах с pH в диапазоне от 6.С 7 по 6,8. Процесс биодеградации несколько замедлился в трех кислых почвах Соединенного Королевства (pH 4,7–6,7) через 90 дней после инокуляции [42]. Сюй [44] обнаружил, что некоторые штаммы бактерий, изолированные из загрязненной нефтью почвы на севере Китая, способны разлагать более 70% нефти при pH 7 и 9. В эксперименте по разложению полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) половина ПАУ разлагалась. при pH 7,5 в течение семи дней, что соответствует наибольшему разложению [34]. Это было связано с самыми высокими популяциями бактерий [34].Кроме того, Houot et al. [41] обнаружили повышенную деградацию атразина во французских и канадских почвах, которая происходила при повышенном pH почвы. Они наблюдали максимальное почвенное дыхание в почвах, загрязненных атразином, при значениях pH выше 6,5 по сравнению с почвенными значениями pH менее 6,0, где метаболиты скорее накапливались.

2.2.4. Минерализация органических веществ

Минерализация органических веществ часто выражается в минерализации углерода (C), азота (N), фосфора (P) и серы (S) под действием микробов.PH почвы контролирует минерализацию почвы из-за его прямого воздействия на микробное население и их деятельность. Это также имеет значение для функций внеклеточных ферментов, которые помогают микробной трансформации органических субстратов. Кроме того, при более высоком pH почвы минерализуемые фракции C и N увеличиваются, поскольку связь между органическими компонентами и глинами нарушается [20]. В исследовании минерализации C и N в различных возвышенных почвах субтропиков, обработанных различными органическими материалами, Khalil et al.[45] обнаружили, что pH почвы и отношение C / N были ответственны за 61% скорости разложения с соответствующим увеличением выбросов CO ₂ , чистой минерализации азота и чистой нитрификации в щелочных почвах, чем в кислых почвах. Подобные результаты ранее были получены Curtin et al. [20].

2.2.5. Нитрификация и денитрификация

Нитрификация и денитрификация являются важными процессами преобразования азота, вызывающими озабоченность окружающей среды. Как и многие биогеохимические процессы, эти процессы в значительной степени контролируются pH почвы.Нитрификация включает превращение аммония в нитрат микробами. Обычно он увеличивается с увеличением pH почвы, но достигает оптимального значения pH [45–47]. В четырехлетнем исследовании Kyveryga et al. [47] наблюдали, что диапазон pH почвы от 6 до 8 сильно влияет на скорость нитрификации удобрения N. Как правило, скорость нитрификации снижается при более низких значениях pH почвы. В некоторых почвах потенциал нитрификации и нитрификации существенно снижается или незначителен ниже значения pH 4,2. Однако нитрификация может происходить даже при pH ниже 4.14, предполагая, что сообщества, окисляющие аммиак и нитрификаторы, могут оставаться активными при низком pH почвы [48].

Денитрификация — это микробиологический процесс, в котором окисленные виды азота, такие как нитрат () и нитрит (), восстанавливаются до газообразного оксида азота (NO), закиси азота (N ₂ O) и молекулярного азота (N ₂ ). в условиях ограниченного количества кислорода [49]. PH почвы влияет на скорость денитрификации, потенциальную денитрификацию и соотношение между двумя основными продуктами денитрификации (N ₂ O и N ₂ ).Отношение обратно пропорционально pH почвы [49]. При значениях pH ниже 7 основным продуктом денитрификации был N ₂ O, тогда как при значениях pH выше 8 преобладал N ₂ [49]. Sun et al. [50] обнаружили, что pH почвы был лучшим предиктором скорости денитрификации, где соотношение N ₂ / N ₂ O увеличивалось экспоненциально с увеличением pH почвы. Это связано с тем, что низкий pH препятствует сборке функциональной редуктазы закиси азота, фермента, восстанавливающего N ₂ O до N ₂ при денитрификации [15, 20], и это в основном зависит от естественного pH почвы [49].Однако pH почвы, при котором наблюдается самая высокая активность редуктазы закиси азота, был около pH 7,3. Это произошло в почвах с добавлением гидроксида калия (КОН) [51]. Это предполагает ингибирование денитрификации при высоком pH, особенно до pH 9 [50]. Более того, максимальная денитрификация от 68% до 85% произошла в песчаной и суглинистой почве с pH 5,2 и 5,9 соответственно [52]. Оптимальный pH для долгосрочной потенциальной денитрификации составлял от 6,6 до 8,3. Кроме того, кратковременная активность денитрифицирующего фермента зависела от естественного pH почвы [49].Влияние pH почвы на денитрификацию частично связано с контролем pH над популяциями денитрифицирующих микробов. Размер резидентной популяции нитратредуцирующих бактерий резко увеличивался при повышении pH кислой почвы [53].

2.2.6. Улетучивание аммиака

Улетучивание аммиака — это явление, которое происходит естественным образом во всех почвах [54] и было приписано диссоциации NH ₃ и H ⁺ , показанных в уравнении (1) [55]

диссоциация приближается к равновесию за счет подкисления среды.Скорость подкисления зависит от начальной и конечной концентрации аммония, а также от буферной способности среды [55]. Когда pH раствора увеличивается выше 7, в реакции расходуется H ⁺ . Таким образом, диссоциация аммония до аммиака в уравнении (1) будет способствовать улетучиванию аммиака. В нейтральных и кислых почвах содержащие удобрения менее подвержены потерям NH ₃ , чем мочевина и удобрения, содержащие мочевину [54]. Однако степень будет также зависеть от конкретного удобрения и его влияния на pH почвы.В исследовании, посвященном улетучиванию аммиака из соленой щелочной почвы, культивируемой с рисом, Ли и др. [56] обнаружили, что улетучивание аммиака быстро увеличивается с увеличением pH и достигает пика при pH 8,6. Улетучивание аммиака сильно коррелирует с pH и карбонатом кальция, что свидетельствует о том, что pH почвы был ключевым фактором улетучивания аммиака, потому что карбонат кальция увеличивает pH почвы, что, в свою очередь, контролирует концентрацию аммиака и аммония в почвенном растворе [57].

3. Биогенная регуляция pH почвы

Биологические процессы почвы, связанные с живыми организмами, и биохимические преобразования останков мертвых организмов вызывают изменения pH почвы.Это может происходить либо за счет прямого воздействия биохимических процессов, происходящих в живых организмах в почвенной системе, в основном через процессы ризосферы, либо за счет прямого и косвенного воздействия внесенных органических остатков, будь то несгоревшие, сгоревшие или обугленные формы, а также их разложение.

3.1. Ризосферные процессы

Ризосфера — это объем почвы по соседству с корнями, на который влияют корни и микробная активность [58–60], Hiltner 1904, цитируется по [60].Это продольный и радиальный градиент [61] в диапазоне от 0 до 2,0 мм от корневого мата [62, 63]. В этом небольшом объеме почвы корни впитывают воду и питательные вещества, растягиваются и расширяются, выделяют экссудат, дышат и, таким образом, обладают более высокой микробной активностью [59, 63]. Посредством некоторых из этих биологических процессов корни растений обладают способностью вызывать изменения pH в ризосфере либо путем высвобождения протонов (H ⁺ ), либо гидроксильных ионов (OH ^— ) для поддержания ионного баланса [58, 64], в зависимости от статус питания растений [65].Следовательно, pH ризосферы может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от преобладающего процесса и типов выделяемых ионов.

Изменение pH почвы в ризосфере, вызванное корнями растений, контролируется определенными процессами и факторами, такими как (i) поглощение ионов в сочетании с высвобождением неорганических ионов, которые поддерживают электронейтральность, (ii) выделение анионов органических кислот, (iii) экссудация и дыхание корней, (iv) окислительно-восстановительные процессы, (v) микробное производство кислот после ассимиляции высвобожденного углерода корня и (vi) генотип растения [58, 59].Удивительно, но корни больше склонны повышать pH ризосферы, чем понижать его [65, 66]. Доминирующим механизмом, ответственным за изменение pH в ризосфере, является поглощение растениями питательных веществ в форме катионов и анионов [58, 59, 65], в первую очередь из-за поглощения растениями двух основных форм неорганического азота (и), который обычно приняты в больших количествах [59]. Азот поглощается растениями в трех основных формах: аммоний (), нитрат () и молекулярный азот (N ₂ ) [59], хотя аминокислоты также могут поглощаться [58].Поглощение каждой из трех форм азота сопровождает высвобождение соответствующих ионов для поддержания электронейтральности в ризосфере. Когда в почве преобладает нитрат или когда преобладает его поглощение, растения должны выделять бикарбонатные () или гидроксильные ионы (OH ^— ) для поддержания электрической нейтральности на границе раздела почва-корень, что приводит к увеличению pH ризосферы [58, 59, 64]. Напротив, протоны высвобождаются растениями в ответ на поглощение, вызывая снижение pH ризосферы [58, 62].Было обнаружено, что 15, 6 и 0%, соответственно, азота от общего азота, присутствующего в почве, требуется для уменьшения снижения pH ризосферы на 1,2 единицы, поддержания его или повышения на 0,4 единицы pH [62] .

Степень воздействия процессов и факторов, контролирующих изменение pH ризосферы, зависит от вида растений и стадий роста [65]. Например, в исследовании взаимодействий подкисления ризосферы Faget et al. [67] обнаружили различия в закислении ризосферы кукурузы ( Zea mays L.) и фасоль ( Phaseolus vulgaris L.). Изначально кукуруза подкисляла ризосферу и постепенно подщелачивала ее со временем, в то время как бобы показали противоположные эффекты. Они обнаружили влияние взаимодействия двух видов растений на изменение pH ризосферы, в результате чего степень подкисления или защелачивания была слабее, когда корни росли в одном районе, чем когда корни не росли рядом друг с другом. Однако pH ризосферы изменяется со временем в результате переменного поглощения ионов азота, видов растений и стадий их роста растений [67].Это было выявлено в эксперименте на яблонях ( Malus pumila Miller), гречихе ( Fagopyrum esculentum Moench), кукурузе ( Zea mays L.), коровьем горохе ( Vigna unguiculata (L) Walp.), Кафре. лайм ( Citrus hystrix DC.), салат ( Lactuca sativa L.), сосны ( Pinus sp. L.) и пшеница ( Triticum aestivum L.), где Мецгер [66] обнаружил максимум концентрации в ризосфере во время стадий цветения и плодоношения (рис. 2), которая была на 10–29% выше, чем в основной массе почвы.Концентрации в ризосфере растений были следующими: салат = гречка> сосна> яблоко> кафр> вигновый горох> кукуруза> пшеница. Эти значения были намного ниже, чем полученные в ризосфере сои (Glycine max (L.) Merr.) [64]. Кроме того, Turpault et al. [59] обнаружили, что 93% NO ₃ -N было поглощено древостоями пихты Дугласа ( Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco) в течение апреля – сентября по сравнению с 83% поглощением в период с октября по март.Это, вероятно, увеличивает pH ризосферы и подразумевает, что в периоды низкого поглощения нитратов pH почвы может снижаться из-за буферизации или из-за реакции на поглощение.

3.2. Сырые и сжигаемые органические материалы

Когда несгоревшие органические материалы или сырые растительные остатки вносятся в почву, pH увеличивается до пика, а затем снижается. Например, Forján et al. [68] обнаружили первоначальное повышение pH почвы, когда они применяли смесь ила от отбеливателя, городских твердых отходов и отходов шахт, а также смесь ила от очистных сооружений, древесной щепы и остатков от агропродовольственной промышленности на пачкаться.Кроме того, добавление молодых побегов кикуйю ( Pennisetum clandestinum L.) также увеличивало pH почвы до одной единицы pH [69]. Основные причины этого изменения pH связаны с (i) высвобождением избыточной щелочности остатка, связанной с основными катионами, такими как Ca, K, Mg и Na [70]; (ii) декарбоксилирование органических анионов, которое происходит во время минерализации C, вызывая потребление протонов и высвобождение OH ^— [71, 72]; (iii) аммонификация остатка N; (iv) нитрификация минерализованного остатка N; и (v) ассоциация / диссоциация органических соединений [70].Эти процессы определяются внесенным количеством и преобладающими почвенными и экологическими условиями [70]. Согласно Xu et al. [70]; прямые химические реакции и окисление органических анионов во время разложения остатков являются основными механизмами, участвующими в повышении pH почвы, вызванном органическими анионами. Кроме того, органические анионы и другие отрицательно заряженные химические функциональные группы, присутствующие в органическом веществе, могут вступать в реакции ассоциации с ионами H ⁺ [71, 73].

Повышение pH почвы после внесения пожнивных остатков также зависит от типа пожнивных остатков (однодольных или двудольных), который связан с количеством присутствующей щелочности, качеством остатков (отношение C / N), скоростью внесения остатков и разложение, начальный pH и буферная способность почвы [70, 71].Различные остатки имеют разный химический и биохимический состав, который определяет процессы, ответственные за изменение pH почвы. Это было обнаружено в эксперименте по инкубации с участием трех почв и пяти различных типов остатков, где pH почвы увеличивался в зависимости от люцерны> нута> медикамента> пшеницы с высоким содержанием азота> пшеницы с низким содержанием азота [70]. Кроме того, в ходе 59-дневной лабораторной инкубации [71] и полевых экспериментов [74] было обнаружено, что величина увеличения pH почвы после внесения поправки на остатки была в порядке нут> канола> пшеница [71, 74].Они заметили, что 40–62% растворимой щелочности в остатках канолы и нута ответственны за повышение pH. Из этих и многих других исследований [69] очевидно, что остатки двудольных растений, особенно бобовых, обладают высокой щелочностью и оказывают большее влияние на изменение pH почвы, чем однодольные. Повышение pH после добавления остатка часто достигает пика, а затем снижается в результате нитрификации. Остатки с низким соотношением углерод-азот (C / N) часто связаны с резким снижением pH после определенного периода, и степень зависит от типа почвы и буферной способности почвы [70, 71, 74], тогда как остатки с высокими отношениями C / N производят меньшее повышение pH или совсем не повышают его [70].

Исходный pH и буферная способность почв, принимающих растительные остатки, имеют огромное значение в степени изменения pH после внесения. Например, три типа почвы с различным начальным pH почвы, а именно: супесчаный суглинок Воджил с pH (CaCl ₂ ) 3,87, супесчаный грунт Bodallin с pH 4,54 и песчаный грунт Lancelin с pH 5,06, были инкубированы с остатками нута. люцерна, медик, пшеница с высоким содержанием азота и пшеница с низким содержанием азота. После этого pH увеличился примерно на 3,3 единицы с люцерной в почве Воджил (3.87), 1,6 с нутом, 1,5 с медиком и 0,5 с пшеницей с высоким содержанием азота и без увеличения для пшеницы с низким содержанием азота. Для супесей Bodallin и Wodjil значение pH увеличилось и достигло пика на 42-й день инкубации, после чего последовало снижение, тогда как в песчаной почве Lancelin значение pH достигло максимума на 14-й день, а затем снизилось [70]. В другом исследовании инкубации [71] подзол с начальным pH 4,5 и камбизол с начальным pH 6,2 были дополнены остатками канолы, нута и пшеницы. Для всех остатков повышение pH в умеренно кислом камбизоле было в шесть раз больше, чем в более кислом подзоле.Этот показатель достиг пика через 14 дней после применения и впоследствии снизился. Однако в полевых исследованиях на тех же почвах [74] внесение остатков нута увеличивало pH почвы на 1,3 единицы в обеих почвах и достигало максимума через 3 месяца, тогда как остатки канолы увеличивали pH на 0,82 и 1,02 единицы в Подзолах и Подзолах. Камбизол, соответственно, и достиг максимального значения pH через 9 месяцев.

Подобно несгоревшим органическим материалам, сгоревшие или обугленные растительные остатки содержат большее количество щелочности из-за улетучивания органических компонентов в термических условиях, приводящих к концентрации щелочных компонентов.Фактическая щелочность зависит от типа используемой биомассы, их происхождения и температуры сгорания. Обгоревшие и обугленные формы органических материалов включают биоуголь и золу. Biochar представляет собой твердый продукт пиролиза, а зола представляет собой рыхлый порошкообразный материал, полученный путем сжигания. PH биоугля, полученного при 500-600 ° C, составлял 6,4-9,3 и демонстрировал сильную взаимосвязь с общей щелочностью (то есть органической и неорганической щелочностью) [75]. Неорганическая щелочность увеличивается с увеличением температуры пиролиза и с увеличением содержания двухвалентных катионов [75], потому что органические компоненты улетучиваются во время пиролиза.Эта щелочность biochar нейтрализует кислотность и увеличивает pH почвы в зависимости от степени щелочности и буферной способности почвы [76]. Зола биомассы имеет значительную щелочность, которая часто выражается в процентах эквивалента карбоната кальция (% CCE). Он колеблется в пределах 17–95% [77, 78]. Как и в случае с biochar, температура горения влияет на щелочность биомассы, помимо ее типа и источника. Недавно Neina et al. (представлен) обнаружил, что зола от древесного угля имеет более высокие содержания CCE, pH и K, чем зола дров.В зависимости от подщелачивающей и буферной способности почвы, принимающей золу биомассы, повышение pH почвы может быть высоким или низким. Например, в двух ганских акрисолях зола биомассы, внесенная в почву в количестве 2,5 г · кг ^-1 , увеличила pH почвы примерно на 1 единицу после 12 недель лабораторной инкубации [79]. Это изменение pH в основном кратковременное из-за других биогеохимических процессов.

4. Выводы

В данном документе подчеркивается роль pH почвы как основной переменной почвы, которая имеет двунаправленную связь с биогеохимическими процессами почвы.Хотя в этой статье обсуждались не все биогеохимические процессы, они существенно влияют на здоровье почвы, доступность питательных веществ, загрязнение и потенциальные опасности загрязнителей, а также их судьбу в пищевой цепи. Здесь нельзя упускать из виду подвижность вредных веществ в гидрологическом цикле из-за тесной взаимосвязи между почвой и водой. Таким образом, понимание этого может стать основой и руководством к решениям и выбору управления почвами, рекультивации, реабилитации и поддержания качества почвы.Наблюдаемые взаимосвязи между рН почвы и биогеохимией дают представление о будущих приложениях для повышения урожайности конкретных культур за счет повторного использования и доступности питательных веществ, что способствует росту сельскохозяйственных культур. Преходящий pH почвы ризосферы также может быть использован для увеличения доступности определенных питательных веществ в определенных почвенных условиях [80]. Что еще более важно, pH почвы может быть полезен для борьбы с загрязнением почвы за счет распределения и удаления вредных веществ из систем. Например, процессы минерализации и разложения, такие как минерализация C и N, а также разложение пестицидов, происходят между pH 6.5 и 8, в то время как максимальная деградация нефти и ПАУ происходит при pH от 7 до 9. Они, а также максимальные значения pH для различных микробных ферментов, могут быть использованы во многих стратегиях восстановления почвы, особенно при биоремедиации. В конечном итоге, pH почвы может широко применяться в двух широких областях: круговорот питательных веществ и питание растений и ремедиация почвы (биоремедиация и физико-химическая реабилитация).

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов относительно публикации этой статьи.