Структура почвы определяется как пространственное расположение твердых компонентов (минералов и органических веществ) и пустот почвы и является отражением биологической активности (дождевые черви и корни), абиотических факторов (сублимационно-оттаивание и увлажнение-сушка), либо результатом обработки почвы.
Динамика структуры почвы происходит в очень разных временных масштабах (от секунд до веков), и хотя она фундаментально происходит в поровом масштабе, более крупные пространственные масштабы (поле, водосбор и регион) становятся актуальными, поскольку широкий спектр гидрологических и экологических функций почвы определяется структурой почвы.
Растущее понимание ключевой роли, которую структура почвы играет в обеспечении функций и услуг почвенных экосистем для всех земных поверхностей мотивировали недавние попытки количественной оценки этого важного, но неуловимого свойства почвы в соответствующем пространственном и временном масштабе.
Для большинства этих услуг и функций желательной является структура почвы, способная поддерживать широкий спектр биологической активности от микробных сообществ до мезофауны (например, земляных червей и термитов) и растительности; организмов, деятельность которых, в свою очередь, способствует дальнейшему развитию и поддержанию такой желательной структуры почвы.
Такой тип хорошо развитой структуры почвы облегчает прохождение воды и кислорода через почву и делает эти жидкости доступными для растений, тем самым способствуя росту растений, стимулируя повторное использование питательных веществ и пополнение подземных вод.
Напротив, плохая структура почвы ограничивает инфильтрацию воды и обмен газами, что приводит к стоку воды, эрозии почвы и неблагоприятным аноксическим условиям, которые ограничивают рост растений и могут вызвать выбросы парниковых газов при анаэробном бактериальном дыхании.
На структуру почвы в различных пространственных и временных масштабах влияют несколько процессов и механизмов. Эти процессы хорошо известны, включая разумный уровень количественного понимания деградации структуры почвы (например, уплотнение), однако знания о формировании и восстановлении структуры почвы остаются ограниченными.
Механические и гидравлические нагрузки, действующие на почву или внутри нее, могут привести к образованию или деградации структуры почвы. Эти стрессы могут быть вызваны либо естественными процессами (как биотическими, так и абиотическими), либо деятельностью человека.
К видам деятельности, вызывающим деградацию структуры почвы, относятся сельскохозяйственные работы, которые могут фрагментировать агрегаты и создавать уплотненные слои плугов, уплотнение с помощью тяжелых сельскохозяйственных орудий и вытаптывание пасущимися животными. Циклы увлажнения-сушки и сублимации-оттаивания вызывают набухание-усадку почвы и растрескивание. Биологическая активность играет важную роль в формировании и стабилизации структуры почвы.
Земляные черви и корни растений проникают в почву и создают биопоры, которые обеспечивают предпочтительные пути для воды и газа и способствуют размножению корней растений.
Экссудаты корней, бактериальный фюзеляж и литье дождевых червей в значительной степени способствуют стабилизации структуры почвы. Процессы формирования и стабилизации структуры почвы медленные и могут занять от десятилетий до столетий. Большая разница между характерными временными масштабами процессов деградации (быстрое уплотнение в масштабе секунд) и чрезмерно длительными регенеративными процессами (от года до десятилетия) способствовала формированию неправильных представлений о характере повреждения. Это можно проиллюстрировать на примере интенсивных усилий по количественному определению уплотнения и ограниченного внимания, уделяемого механизмам восстановления, в ходе которых происходит основной ущерб и потеря производительности. Это смещение распространяется на обоснованную характеристику уплотнения, но практически не требует измерений или измерений для восстановления структуры почвы.
Геофизика для характеристики структуры почвы
Описания структуры почвы сосредоточены либо на представлении вторичных поровых пространств, не связанных с текстурой (например, биопоры), либо, в более общем плане, на пространственном расположении, упаковке и механических свойствах твердой фазы, таких как агрегаты и уплотненные слои.
Подчеркнем перспективу поровых пространств в связи с их важностью для экологического функционирования почвы, не забывая, что уплотнение и агрегация являются важными компонентами структуры почвы. Основная проблема заключается в том, что свойства насыпного грунта, которые легко измерить (пористость или насыпная плотность), дают ограниченное представление о структуре и функционировании грунта.
Структура почвы в целом трудно поддается количественной оценке, и выбор геофизических методов и стратегий измерения для этой задачи не является очевидным.
Один из подходов заключается в использовании косвенного воздействия структуры почвы и выборе методов и наблюдений, чувствительных к изменениям в структуре почвы (например, увеличение скорости дренажа из почв с обширными биопорами по сравнению с почвой без структуры или уплотненной).
Геофизические методы в почвоведении
Существует широкий спектр геофизических методов, и использование некоторых из них может быть актуальным.
- Метод самопотенциального потенциала представляет собой пассивный электрический метод, в котором измеряются естественные электрические разности потенциалов. Потоковый потенциальный вклад, связанный с потоками и водонасыщенностью, важен в почвах и может быть связан с поглощением корневой воды или фильтрацией после осадков.
- Ядерно-магнитно-резонансные методы лабораторного, скважинного и наземного базирования чувствительны к содержанию воды и, в некоторых случаях, к гидравлической проводимости. Гравиметрические измерения (особенно замедление) могут быть полезны для ограничения оценок гидравлических состояний и потоков.
- Гиперспектральный метод использует свет, отраженный от почвы, который, в свою очередь, определяется ее составом (текстурой, органическим веществом и минерализацией) и может быть полезен для улучшения оценки соответствующих свойств (например, содержания глины) на больших площадях. Гиперспектральный метод использует свет, отраженный от почвы, который, в свою очередь, определяется ее составом (текстурой, органическим веществом и минерализацией) и может быть полезен для улучшения оценки соответствующих свойств (например, содержания глины) на больших площадях.
Петрофизические модели структурированного грунта.
Петрофизические модели играют центральную роль в интерпретации геофизических измерений. Улучшение понимания связи между сейсмическими свойствами и структурой почвы является важной и перспективной областью, которая может обеспечить не инвазивное зондирование механического состояния почвы с учетом влияния структуры на распространение сейсмических волн.
Изменения в структуре почвы содержат несколько невидимых воздействий на функционирование почвы, в первую очередь с потерей крупных пор и изменением их топологии (непрерывность), но еще более тонкими являются изменения механической устойчивости и прочности почвы, которые влияют на биологическую жизнь в почве.