Устойчивость органического вещества почв

Агрегатная устойчивость почвы — Soil aggregate stability

Стабильность почвенных агрегатов — это мера способности почвенных агрегатов противостоять деградации при воздействии внешних сил, таких как водная эрозия и ветровая эрозия , процессы усадки и набухания, а также обработка почвы (Papadopoulos, 2011; USDA, 2008). Стабильность почвенных агрегатов является мерой структуры почвы (Six et al., 2000a) и может зависеть от управления почвой (Six et al., 1998).

СОДЕРЖАНИЕ

Обзор

Почему важна совокупная стабильность?

Общая стабильность является одним из показателей качества почвы , поскольку она сочетает в себе физические, химические и биологические свойства почвы (Doran & Parkin, 1996). Формирование почвенных агрегатов (или так называемых вторичных почвенных частиц или грунтов) происходит из-за взаимодействия первичных почвенных частиц (например, глины) посредством перегруппировки, флокуляции и цементации.

Агрегатная стабильность оказывает прямое влияние на распределение пор почвы по размерам, что влияет на удержание влаги в почве и движение воды в почве, тем самым влияя на движение воздуха. Почва с хорошей структурой почвы обычно имеет смесь микро-, мезо- и макропор. Следовательно, при большей агрегации можно ожидать более высокой общей пористости по сравнению с плохо агрегированной почвой (Nimmo, 2004). Микропоры важны для удержания и хранения воды в почве, в то время как макро- и мезопоры позволяют воде и воздуху перемещаться в почву. Хорошо аэрация почва имеет важное значение для растительного и микробного здоровья. Без доступа к кислороду корни растений и аэробные микроорганизмы не могут дышать и могут погибнуть. Чтобы иметь высокое биоразнообразие почвенных организмов, важно, чтобы в почве было сочетание пор разного размера и среды обитания (Триведи, 2018). Поры почвы создают пространство в почве, которое способствует проникновению корней. В уплотненной почве с небольшим количеством агрегатов и ограниченным пористым пространством корням трудно расти, и они могут быть лишены питательных веществ и воды, хранящихся в различных частях почвы. Почвы с хорошей совокупной стабильностью обычно имеют более высокую скорость инфильтрации воды , что позволяет большему количеству воды быстрее проникать в почвенный профиль и не подвержены скоплению воды.

Факторы, влияющие на формирование агрегатов

Агрегаты почвы образуются в результате процессов флокуляции и цементации, а также усиливаются физическими и биологическими процессами. Первичные частицы почвы ( песок , ил и глина ) подвергаются этим процессам и могут слипаться, образуя более крупные субмикроагрегаты ( 250 мкм). Было высказано предположение, что агрегаты почвы образуются иерархически, то есть более крупные менее плотные агрегаты состоят из более мелких и более плотных агрегатов (Kay, 1990; Oades, 1993).

Флокуляция

Флокуляция относится к состоянию, когда первичные частицы почвы (песок, ил и глина) притягиваются друг к другу межчастичными силами, создавая микроскопические флокулы (или комки). Межчастичные силы включают: силы Ван-дер-Ваальса , электростатические силы и водородные связи . Это противоположно диспергированию , которое происходит, когда отдельные первичные частицы почвы разделяются. Дисперсия и флокуляция почвенных частиц в основном контролируются pH почвы , электропроводностью (ЕС) и содержанием натрия.

Цементация

Микроскопические флокулы станут агрегатами после их стабилизации посредством цементирования одним или несколькими цементирующими веществами, такими как карбонаты , гипс , полуторные оксиды , частицы глины и органическое вещество (Tisdall & Oades, 1982 ) .

Карбонаты и гипс

Карбонат кальция (СаСО ₃ ), карбонат магния (MgCO ₃ ) и гипса (CaSO ₄ . 2H ₂ O) может усилить агрегацию почвы , когда связано с глинистыми минералами. Кальций ионы (Са 2+ ), через его катионное мостиковое воздействие на флокуляцию из глины и органических веществ соединений, играют решающую роль в формировании и устойчивости почвенных агрегатов. Кальций может обмениваться с натрием на участках обмена. Это, в свою очередь, снижает дисперсию частиц почвы, образование корки на поверхности и гашение агрегатов, связанных с натровыми почвами, и косвенно увеличивает агрегативную стабильность (Nadler et al., 1996).

Полуторные оксиды

Тисдалл и Оадес (1982) обнаружили, что водные оксиды железа и алюминия (или полуторные оксиды ) могут действовать как цементирующие агенты с образованием агрегатов размером> 100 мкм, этот эффект становится более выраженным в почве, содержащей> 10% полуторных оксидов . Полуторные оксиды действуют как стабилизирующие агенты для агрегатов, поскольку железо и алюминий в растворе действуют как флокулянты (т. Е. Связывая катионы между отрицательно заряженными частицами почвы), а полуторные оксиды могут осаждаться в виде геля на частицах глины (Amézketa, 1999).

Частицы глины

Частицы почвенной глины по- разному влияют на формирование агрегатов в зависимости от их типа. Почвы с 2: 1 типом минералов филлосиликатной глины (например, монтмориоллинита) обычно обладают высокой катионообменной емкостью (CEC), что позволяет им связываться с поливалентно заряженными комплексами органических веществ с образованием микроагрегатов (Amézketa, 1999). Таким образом, органическое вещество почвы является основным связующим веществом в этих почвах (Six et al., 2000a). С другой стороны, в почвах с оксидами и 1: 1 типом минералов филлосилиактовой глины (например, каолинита) органическое вещество почвы не является единственным связующим агентом, и образование агрегатов также происходит из-за электростатических зарядов между оксидами и частицами каолинита . Следовательно, в этих почвах агрегация менее выражена (Six et al., 2000a).

Органическое вещество почвы

Органическое вещество почвы может повысить агрегативную стабильность в почве и может быть классифицировано в зависимости от того, как оно входит в состав почвенных агрегатов, на:

1. переходный ( полисахаридная фракция органического вещества почвы),
2. временные ( гифы грибов и корни растений) , и
3. стойкие (стойкие ароматические соединения , связанные с катионами поливалентных металлов и сильно адсорбируемыми полимерами).

Временное органическое вещество стабилизирует макроагрегаты (> 250 мкм), а временное и стойкое органическое вещество стабилизирует микроагрегаты (Amézketa, 1999). Роль почвы или органического вещества в совокупной устойчивости может быть трудно определить по нескольким причинам:

1. только часть общего органического вещества почвы играет роль в совокупной устойчивости,
2. существует порог содержания органического вещества почвы, выше которого агрегативная стабильность не может быть улучшена добавлением органического вещества, и
3. органическое вещество не является основным связующим веществом в этой конкретной почве.

Физические процессы

Смачивание и сушка

Циклы увлажнения и высыхания почвы могут иметь как положительный эффект на агрегацию почвы (Utomo and Dexter, 1982; Dexter et al., 1988), так и отрицательный эффект на агрегацию почвы (Soulides and Allison, 1961; Tisdall et al., 1978). . Чтобы объяснить эти противоречивые результаты, было высказано предположение, что почвы будут поддерживать состояние равновесия агрегированной устойчивости. Если почвы обладают определенными свойствами, будет достигнут пороговый уровень, при котором период увлажнения и высыхания приведет к увеличению или уменьшению совокупной устойчивости в зависимости от совокупной устойчивости почвы в этот момент времени.

Усадка и набухание

Циклы усадки и набухания почвы тесно связаны с циклами увлажнения и высыхания; однако они также зависят от типа присутствующих глинистых филлосиликатных минералов. Почвы с более высоким содержанием 2: 1 типов филлосиликатных минералов (таких как монтмориолинит) имеют более сильную силу цементации, действующую во время повторяющихся циклов увлажнения и сушки, что может повысить агрегативную стабильность почвы (Amézketa, 1999). Это связано с тем, что минералы филлосиликата типа 2: 1 набухают и увеличивают свой объем с изменением содержания воды; Это означает, что эти почвы расширяются во влажном состоянии и сжимаются при высыхании. В результате многократного сжатия и набухания происходит агрегация почвы из-за перегруппировки почвенных частиц из-за стресса, возникающего при увеличении всасывания почвы и воды (Kay, 1990). Некоторые почвы даже обладают способностью «самомульчироваться», что означает формирование желаемой зернистой структуры на поверхности почвы из-за усыхания и набухания частиц почвы (Grant & Blackmore, 1991).

Замораживание и размораживание

Когда почвы промерзают и оттаивают, они расширяются и сужаются. Было обнаружено, что более высокое содержание воды в почве во время промерзания оказывает понижающее влияние на агрегативную стабильность в целом. Вода в этих почвах расширяется и разбивает агрегаты на более мелкие агрегаты, в то время как поры, образовавшиеся в результате замерзания, разрушаются после таяния почвы (Amézketa, 1999).

Биологические факторы почвы

Биологические процессы в почве наиболее важны в почвах, которые не содержат 2: 1 филлосиликатных глинистых минералов и поэтому не обладают свойствами усадки и набухания, которые могут способствовать структурному формированию (Oades, 1993). Почвенные организмы могут оказывать косвенное и прямое воздействие на структуру почвы на разных уровнях агрегатного образования. Макроагрегаты (> 2000 мкм) удерживаются вместе корнями растений и гифами грибов , мезоагрегаты (20-250 мкм) удерживаются вместе с помощью комбинации цементирующих агентов, включая полуторные оксиды и стойкие органические вещества, а также удерживаются микроагрегаты (2-20 мкм) вместе устойчивые органические связи (Tisdall & Oades, 1982). Почвенная фауна смешивает частицы почвы с органическими веществами, чтобы создать тесные ассоциации друг с другом.

Почвенная фауна

Дождевые черви , термиты и муравьи — одни из самых важных беспозвоночных , способных влиять на структуру почвы (Lee & Foster, 1991). Когда дождевые черви поедают минеральные и органические компоненты почвы, они могут повысить структурную стабильность этой почвы за счет увеличения углеродно-минеральных ассоциаций и образования слепков, которые увеличивают совокупную стабильность (Tisdall & Oades, 1982; Oades 1993). Некоторые черви способны создать стабильные микроагрегаты от флокуляции из Ca 2+ ионов в процессе пищеварения (Shiptalo & Протц, 1989). Некоторые микроартроподы , в том числе клещи и коллемболы , хотя и имеют небольшие размеры , но из-за их большого количества способны улучшать структуру почвы. Эти организмы часто связаны с лесными экосистемами и могут улучшить структуру почвы за счет производства фекальных гранул в результате проглатывания смеси гуминовых материалов и растительных остатков (Lee & Foster, 1991).

Грибы и корни растений

Тисдалл и Оадес (1982) обнаружили, что корни и гифы грибов являются важными факторами в формировании агрегатов. Они считаются временным агентом, связывающим агрегаты, и обычно связаны с ранними стадиями образования агрегатов. Корни сами могут действовать как связующий агент и могут производить экссудаты, которые поставляют углерод ризосферным организмам и почвенной фауне. Кроме того, поскольку корни впитывают воду, они могут подсушивать почву в непосредственной близости от них. Гифы грибов могут служить связующим агентом, который стабилизирует макроагрегаты, а также секретируют полисахариды, которые способствуют микроагрегации.

Другие факторы, влияющие на общую стабильность

Управление сельским хозяйством

То, как фермеры управляют своей землей, может иметь глубокие изменения в совокупной стабильности, которые могут как повышать, так и понижать совокупную стабильность. Основными факторами, нарушающими общую стабильность, являются: обработка почвы , движение оборудования и движение домашнего скота (Oades, 1993). Обработка почвы может привести к нарушению агрегации почвы несколькими способами: (I) он приносит подпочву на поверхность, тем самым подвергая его воздействию атмосферных осадков и замораживания-оттаивания циклов, и (б) он изменяет влажность почвы, температуру и уровень кислорода, тем самым увеличивая разложение и углерод потеря (Six et al., 2000a). Было показано, что использование уменьшенной или нулевой обработки почвы улучшает агрегацию почвы по сравнению с традиционными методами обработки почвы (Six et al., 2000b). Было показано, что использование покровных культур увеличивает агрегацию почвы (Liu et al., 2005) из-за увеличения почвенного органического вещества и почвенного покрова, которое они обеспечивают. Многолетние культуры обычно требуют остановки обработки почвы , что предотвращает разрушение агрегатов и позволяет растению развить обширную корневую систему, которая может способствовать стабильности агрегатов. Кроме того, внесение органических веществ в виде мульчи или навоза может увеличить агрегацию за счет добавления углерода в матрицу почвы и повышения уровня биологической активности в почве (Amézketa, 1999). Более высокая скорость чулка скота , такие как крупный рогатый скот может уменьшить совокупную стабильность почвы из — за уплотнение почвы и потери растительности.

Кондиционеры почвы

Кондиционеры почвы — это добавки, которые можно вносить в почву для улучшения таких свойств, как структура и удержание воды, чтобы улучшить почвы для их предполагаемого использования, но не специально для плодородия почвы , хотя многие поправки к почве могут изменить плодородие почвы. Некоторые типичные добавки включают: известь , гипс , серу , компост , древесные отходы, торф , навоз , твердые биологические вещества и биологические добавки. Чтобы почвенные кондиционеры были эффективными, они должны быть равномерно распределены по полю, вноситься в правильное время, чтобы предотвратить потерю питательных веществ, и иметь правильное содержание питательных веществ. Кроме того, применение почвенных кондиционеров зависит от конкретного участка и требует индивидуального подхода, поскольку почвенный кондиционер может работать не на всех почвах одинаково (Hickman & Whitney, 1988).

Климат

Изменения климата и времен года могут повлиять на общую устойчивость почвы. Согласно Dimuyiannis (2008), в средиземноморском климате было обнаружено, что совокупная стабильность колеблется почти циклически, с более низкой совокупной стабильностью зимой и ранней весной по сравнению с более высокой совокупной стабильностью в летние месяцы. Было обнаружено, что это изменение совокупной стабильности сильно коррелирует с общим ежемесячным количеством осадков и среднемесячным количеством осадков. На совокупную стабильность может влиять количество и интенсивность выпадения осадков. Повышенное количество осадков и нерегулярные дожди могут снизить совокупную стабильность и увеличить эрозию. Кроме того, более высокие температуры могут увеличить скорость разложения почвы, что снижает количество углерода на участке, что может снизить совокупную стабильность. Многие из влияний климата на агрегативную стабильность почвы обусловлены взаимодействием типа почвы с увлажнением / высыханием, усадкой / набуханием и замерзанием / оттаиванием (Amézketa, 1999).

Как измеряется совокупная стабильность?

Агрегативную стабильность почвы можно измерить несколькими способами, поскольку:

1. Почвенные агрегаты могут быть дестабилизированы различным внешним давлением, вызываемым ветром, водой или механизмами.

2. Агрегативная устойчивость почвы может быть определена в различных масштабах.

В большинстве случаев метод устойчивости мокрого заполнителя более актуален, потому что этот метод имитирует эффекты водной эрозии , которая является движущей силой эрозии в большинстве сред. Однако в засушливой среде более применимым методом может быть устойчивость сухого заполнителя, поскольку он имитирует ветровую эрозию, которая является движущей силой эрозии в этих средах. Гилмор и др. (1948) описывает метод, при котором агрегаты погружают в воду и измеряют грунт, который отшелушивается от агрегата. Эмерсон (1964) использовал метод, при котором агрегаты подвергались разному внутреннему давлению набухания из-за различных концентраций хлорида натрия (NaCl). Ниже описаны некоторые общие методики.

Метод стабильности влажного заполнителя

Аппарат мокрого просеивания, описанный Йодером (1936), можно использовать для определения стабильности влажных агрегатов в следующей процедуре Кембера и Чепила (1965), которая была адаптирована Ниммо и Перкинс (2002).

1. Просейте почву через сито, чтобы получить образцы почвы с агрегатами размером от 2 до 4 мм.

2. Взвесьте 15 г этих агрегатов размером 2–4 мм.

3. Поместите на верхнюю часть ситовых гнезд с размером отверстий 4,76 мм, 2,00 мм, 1,00 мм и 0,21 мм.

4. Медленно увлажните почву с помощью пульверизатора и увлажнителя, пока заполнители не станут насыщенными и не начнут блестеть.

5. Поместите ситовые гнезда в устройство для мокрого просеивания со скоростью 30 оборотов в минуту примерно на 10 минут.

6. Снимите сита и поместите в духовку при 105 ° C на 24 часа.

7. Поместите примерно 7 г влажной почвы в взвешенную банку, затем поместите в духовку при 105 ° C на 24.

8. Взвесьте высушенную почву в каждом из гнезд сита.

9. Затем образцы можно поместить в раствор гексаметафосфата для диспергирования частиц, а затем снова промыть через сито для удаления частиц песка. Затем эти частицы песка можно сушить в печи при 105 ° C в течение 24 часов, взвешивать и учитывать в расчетах на совокупную стабильность.

Для расчета среднего веса можно использовать следующие формулы:

S _{Метод определения стабильности сухого заполнителя}

Вращающийся цилиндр для сухого просеивания, описанный Чепилом (1962), можно использовать в сочетании с конструкцией вложенного сита, как описано в следующей процедуре Меттинга и Рейберна (1983):

1. Просеять образцы почвы для получения агрегатов диаметром 0,92–1,68 мм.

2. Взвесьте 2 кг агрегатов пробы почвы.

3. Устройте гнезда почвенного сита с отверстиями> 0,84, 0,84-0,42 и 0,84, 0,84-0,42 и 0,42 мм, используя метод вращающегося цилиндра.

Метод гашения

Метод гашения, используемый для измерения устойчивости агрегатов почвы, является мерой того, насколько хорошо агрегаты почвы склеиваются при погружении в воду. Существует несколько методов, использующих этот метод, одним из которых является приложение «Slakes: Soil Aggregate Stability», разработанное Фахардо и Бритни (2019). В этом методе используется смартфон и объясняется, как фермеры и ученые могут измерять совокупную стабильность, используя образцы с их полей, используя следующий метод:

1. Возьмите лопатой образец почвы с поля (0-7,5 см).
2. Храните образец в холодильнике до тех пор, пока он не будет готов к анализу.
3. Выберите образцы с помощью линейки, чтобы получить агрегаты диаметром 1-2 см, и поместите на неглубокую посуду с простым белым фоном, в которую можно добавить воду.
4. Установите в телефоне камеру на задней панели, чтобы он мог хорошо видеть агрегаты почвы.
5. Добавьте в блюдо воды, чтобы покрыть агрегаты, и запустите приложение.
6. Через несколько минут заполнитель в разной степени разойдется.
7. Затем приложение выставит вам оценку, по которой можно определить, насколько стабильна ваша совокупность и, следовательно, почва.

Источник