Структура почвы и поровое пространство: основа здоровья и функционирования почвы

Структура почвы в фундаментальном смысле определяется как форма, размер и пространственное расположение отдельных почвенных частиц и их скоплений, известных как агрегаты. Более современное и релевантное определение описывает ее как комбинацию твердых частиц с различными типами пор между ними. В то время как традиционно ее измеряют по характеристикам агрегатов, исследования подтверждают, что именно размер, форма и расположение самого порового пространства наиболее прямо влияют на такие ключевые процессы, как развитие корневой системы растений, накопление и перемещение воды, диффузия газов и перенос растворенных веществ. Именно эта поровая архитектура обеспечивает физическую среду обитания для всей почвенной биоты, что делает ее измерение необходимым для характеристики истинного качества почвы.

Качество структуры почвы в значительной степени зависит от содержания в ней органического вещества. Микроморфологические методы, включающие микроскопическое исследование тонких шлифов почвы, дают ценное понимание этой взаимосвязи. Например, на рис. 2.6 видно органическое вещество, накопившееся в виде кутан на стенках удлиненных пор. Эти кутаны действуют как природный цемент, упрочняя и стабилизируя поры против разрушительного воздействия воды, обеспечивая их долгосрочную функциональность, что крайне важно для инфильтрации воды и роста корней.

Рис. 2.6: Макрофотография вертикально-ориентированного тонкого шлифа. Органический материал четко виден в виде кутан на стенках пор. Поры выделены желтым цветом.

Однако эти благоприятные структурные условия не являются постоянными. Когда органическое вещество полностью разлагается и минерализуется почвенными микроорганизмами, оно теряет свои цементирующие свойства. Эта деградация приводит к обрушению стенок пор и их последующему закрытию, что представляет собой первый критический шаг к ухудшению структуры почвы. Данный цикл подчеркивает незаменимую роль постоянных поступлений свежего органического вещества для поддержания здоровой и стабильной системы почвенных пор.

Сложная связь между физической структурой и биологической активностью демонстрируется корреляциями между пористостью почвы и ее биохимическими свойствами. Исследования выявили четкую взаимосвязь между активностью почвенных ферментов и порами диаметром от 30 до 200 мкм. Это подразумевает, что более крупные поровые пространства поддерживают более интенсивные биохимические реакции, вероятно, потому что могут вмещать большее количество и разнообразие микроорганизмов. Эта положительная взаимосвязь постоянно наблюдается в почвах, удобренных компостом, что подчеркивает двойную пользу органических добавок, улучшающих как структуру, так и биологию почвы.

Примером образцовой модели хорошей структуры почвы является рис. 2.7, на котором иллюстрируется структура призмовидной отдельности. Здесь почвенные агрегаты разделены связанными между собой удлиненными порами. С агрономической точки зрения это считается оптимальной структурой, поскольку непрерывность этих пор способствует отличному движению воды и обеспечивает легкие пути для проникновения корней. Более того, эта структура по своей природе стабильна, что позволяет характеризовать и прогнозировать процессы переноса жидкостей внутри почвенного профиля.

Рис. 2.7: Макрофотография вертикально-ориентированного тонкого шлифа, показывающая пример структуры призмовидной отдельности. Белые области представляют поры. Длина рамки 35 см.

Визуальное свидетельство формирования структуры почвы биологической активностью подробно представлено на рис. 2.8, где видны скопления органических материалов внутри поровых пространств. Более детальное исследование на рис. 2.9 показывает, что этот материал включает фекальные пеллеты мелких насекомых и клещей, демонстрируя, как почвенная фауна способствует к распределению органического вещества и формированию микроагрегатов. Рисунок 2.10 демонстрирует пример на макроуровне, показывающий отчетливый канал и камеру, сформированные деятельностью дождевых червей — классических инженеров экосистем.

Рис. 2.8: Макрофотография вертикально-ориентированного тонкого шлифа. Белые области представляют поры. В поровых пространствах видны фрагменты остатков корней и мелкие органические материалы. Длина рамки 32 см.

Рис. 2.9: Микрофотография, показывающая фекальные пеллеты мелких насекомых и клещей. Белые области представляют поры. Длина рамки 33 мм.

Рис. 2.10: Микрофотография вертикально-ориентированного тонкого шлифа, показывающая канал и камеру, сформированные почвенной фауной.

В резком контрасте, рис. 2.11 представляет уплотненную почву с очень плохой структурой. Здесь нет видимых, разделенных агрегатов, а пористость чрезвычайно низка, состоя лишь из мелких, изолированных пор within плотной почвенной матрицы. Такой тип структуры создает неблагоприятную среду обитания как для корней растений, так и для почвенной биоты, и является общей чертой деградированных почв, страдающих от низкого содержания органического вещества, что приводит к затрудненному дренажу и аэрации.

Рис. 2.11: Макрофотография вертикально-ориентированного тонкого шлифа, показывающая пример массивной структуры, что подтверждается относительным отсутствием порового пространства и связности пор. Белые области представляют поры. Длина рамки 35 см.

Влияние почвенной жизни на структуру наблюдается и на полевом уровне, в особенности работа макрофауны, такой как дождевые черви. Потенциал дождевых червей улучшать агрегацию и пористость почвы был известен еще Гилберту Уайту в 1777 году и Чарльзу Дарвину в 1837 году. Они признавали, что дождевые черви способствуют росту растений, создавая тесную смесь органического и минерального вещества, что улучшает удержание воды, высвобождение питательных веществ и обеспечивает превосходную среду для распространения корней.

Поровое пространство почвы систематически классифицируется на основе размера и функции, причем каждый тип напрямую влияет на свойства почвы:

- Макропоры (>50 мкм): Это наиболее крупные поры, часто образующиеся в результате растрескивания почвы, роста корней или роющей деятельности животных. Они критически важны для быстрого дренажа воды и газообмена within почвы, предотвращая ее заболачивание.

- Мезопоры (2 - 50 мкм): Эти поры необходимы для аккумуляции воды и являются основным источником влаги, доступной для поглощения растениями. Когда почва после дождя достигает наименьшей влагоемкости, именно мезопоры заполнены водой.

- Микропоры (<2 мкм): Вода в этих мельчайших порах удерживается адгезионными силами настолько прочно, что обычно недоступна растениям. Однако эти влажные, часто анаэробные условия благоприятны для определенных групп микроорганизмов, таких как те, что участвуют в денитрификации.

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.