Структура и пористость почвы: скрытая архитектура динамичной среды обитания

Для наблюдателя с поверхности почва может казаться статичной, однородной массой. В реальности же это невероятно динамичная и гетерогенная система, кишащая жизнью и сложными взаимодействиями. Эта насыщенная среда состоит из замысловатой сети поровых пространств, заполненных воздухом и водой, в которых обитает многочисленное сообщество организмов всех форм и размеров. Эти пути формируют чрезвычайно сложную структуру, простирающуюся на метры вглубь по маршрутам, которые могут быть как относительно прямыми, так и невероятно извилистыми, создавая трёхмерный мир у нас под ногами.

Физический характер почвы определяется её текстурой и структурой. Текстура почвы определяется различающимися пропорциями минеральных компонентов — песка, ила и глины, — что позволяет классифицировать почвы по спектру от грубых до очень тонких (Рис. 2.1). Структура почвы, однако, относится к комбинации и расположение этих первичных частиц в более крупные вторичные единицы, известные как агрегаты или отдельности. Эти агрегаты проявляются в различных формах, таких как «округло-блоковая», «призматическая» или «зернистая», которые фундаментально влияют на поведение почвы.

Рис. 2.1: Треугольник почвенных текстур, используемый для определения класса почвы по её гранулометрическому составу

Конкретное сочетание структуры и текстуры почвы управляет критически важными функциями экосистемы. Почвы по-разному взаимодействуют с водой, влияя на такие процессы, как дренаж, капиллярный подъем и набухание. Они также различаются по своей способности связывать и высвобождать питательные вещества, определяя доступность необходимых элементов для растений. С биологической точки зрения, наиболее важным аспектом является поровая структура, поскольку именно эта сеть обеспечивает основную среду обитания для корней растений и всей почвенной пищевой сети, определяя, где жизнь может существовать и процветать.

Жилое пространство внутри почвы, особенно для микроорганизмов, огромно. Поровое пространство может составлять почти 50% от общего объема почвы, хотя значительная его часть состоит из микропор, слишком малых для проникновения многих организмов. Исследования показали, что внутренняя площадь поверхности в пределах всего одного грамма глинистой почвы может превышать 24 000 м², причем это значение уменьшается с увеличением доли ила и песка. Эта колоссальная площадь поверхности, даже с её микроскопическими ограничениями, объясняет, почему небольшое количество почвы может поддерживать такое ошеломляющее разнообразие и обилие жизни, функционируя как мегаполис для микроорганизмов.

Почва по своей сути является полуводной средой обитания, и большинство её организмов, особенно микроорганизмов, нуждаются в воде для выживания и передвижения. Когда почва насыщена, все её поры заполнены водой. После прекращения свободного дренажа почва достигает полевой влагоёмкости — состояния, характеризующегося специфическим всасывающим давлением, необходимым для удаления воды. По мере продолжения высыхания для извлечения влаги требуется всё большее давление, причем более крупные поры дренируются первыми из-за более слабых сил удержания воды.

Динамика удержания воды зависит от масштаба. Следующими дренируют поры среднего размера, в то время как микропоры теряют воду в последнюю очередь из-за мощных электростатических сил между молекулами воды и почвенными частицами. В конечном итоге, единственной оставшейся водой является та, что так прочно связана в этих крошечных пространствах, что растения не могут её извлечь. Этот критический порог известен как точка устойчивого завядания, определяемая давлением всасывания, превышающим -15 бар, после которого растения увядают, поскольку влага становится физически недоступной.

Масштабы, на которых существует жизнь внутри почвы, незнакомы большинству людей. Мы обычно воспринимаем почву как двухмерную плоскость. Однако при вскапывании открывается следующий масштаб, где становятся видимыми почвенные агрегаты и смеси органического вещества, обнаруживая первые четкие признаки структурной сложности почвы и начала её трёхмерной поровой структуры.

Дальнейшее увеличение открывает мир, в котором становятся заметными корневые волоски растений и симбиотические микоризные грибы. На этом масштабе становится ощутимым значительное пространство, доступное для жизни микробов и распространения корней. Это подчеркивает сложную архитектуру, которая поддерживает биологическую активность и обмен питательными веществами, формируя основу продуктивности почвенной экосистемы.

Четвертое изображение предоставляет вид тонкого среза почвы, где почва залита смолой и нарезана для микроскопического исследования. При подсветке поровые пространства между почвенными агрегатами четко освещаются (часто показаны желтым цветом). Эта техника визуально подтверждает, что значительная часть почвы — не твердое вещество, а пространство, которое может быть заполнено воздухом или водой, в зависимости от преобладающих условий влажности.

Доля порового пространства по отношению к твердым частицам является критически важным свойством, на которое влияют несколько факторов, причем текстура почвы — первичный. Например, поровое пространство тонкодисперсной глинистой почвы может составлять почти половину её общего объема. В контрасте, пористость среднетекстурированного суглинка может быть ближе к 40%. Это изменение пространства напрямую контролирует доступность среды обитания, запасание воды и газообмен, что делает его фундаментальным элементом здоровья и функционирования почвы.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.