Гидрофобная почва — это почва, частицы которой отталкивают воду. Слой гидрофобности обычно находится на поверхности или на несколько сантиметров ниже, параллельно профилю почвы. [1] Этот слой может различаться по толщине и распространенности и обычно покрыт слоем золы или сожженной почвы.
Гидрофобная почва обычно образуется, когда огонь или горячий воздух рассеивают восковые соединения, находящиеся в самом верхнем слое подстилки, состоящем из органического вещества. [2] После того, как соединения рассеиваются, они в основном покрывают песчаные частицы почвы вблизи поверхности в верхних слоях почвы, делая почву гидрофобной. Другими источниками гидрофобных покрытий являются загрязнения и промышленные разливы, а также микробная активность почвы. [2] Гидрофобность также можно рассматривать как естественное свойство почвы, которое является результатом деградации естественной растительности, такой как эвкалипт, который имеет природные восковые свойства. [3]
Было обнаружено, что в конкретном новозеландском песке это воскообразное липидное покрытие состояло в основном из углеводородов и триглицеридов, которые были основными по pH, вместе с меньшим значением кислых длинноцепочечных жирных кислот. [4] Капиллярное проникновение между частицами почвы ограничивается гидрофобным покрытием частиц, что приводит к водоотталкиванию каждой затронутой частицы, поскольку гидрофильная головка липида прикрепляется к частице песка, оставляя гидрофобный хвост, защищающий внешнюю часть частицы. [2] Это можно увидеть на рисунке 1 ниже.
Другие важные факторы, предотвращающие попадание воды в почву, включают текстуру почвы, микробиологию, шероховатость поверхности почвы, содержание органических веществ в почве, химический состав почвы, кислотность, содержание воды в почве, тип почвы, минералогию глинистых частиц и сезонные изменения региона. [5] Текстура почвы играет большую роль в прогнозировании того, может ли почва быть водоотталкивающей, поскольку более крупные зернистые частицы в почве, такие как песок, имеют меньшую площадь поверхности, что делает их более склонными к полному покрытию гидрофобными соединениями. Гораздо сложнее полностью покрыть ил или глинистую частицу большей площадью поверхности, но когда это происходит, результирующая водоотталкиваемость почвы является серьезной. [6] Поскольку органическое вещество почвы в форме растительной или микробной биомассы разлагается, физико-химические изменения могут также высвобождать эти гидрофобные соединения в почву. [7] Это, однако, зависит от типа микробной активности, присутствующей в почве, поскольку она также может препятствовать развитию гидрофобных соединений. [6]
Водоотталкивающие свойства почвы почти всегда сначала проверяются с помощью теста на время проникновения капли воды (WDPT) из-за простоты теста. [8] Этот тест выполняется путем регистрации времени, необходимого для того, чтобы одна капля воды проникла в определенную почву, что указывает на стабильность отталкивающих свойств. [2] Просачивание воды выражается как проникновение воды в почву спонтанным образом и коррелирует с углом контакта вода-почва. Если угол контакта вода-почва больше 90º, то почва определяется как гидрофобная. Также было замечено, что если тестовую каплю поместить на гидрофобную почву, она быстро образует твердую корку, прежде чем исчезнуть. [2]
Результаты WDPT: [9]
Таблица 1: Характеристика степени гидрофобности почв на основе теста на проникновение капель воды.
Другим методом определения водоотталкиваемости почвы является тест молярности капель этанола (MED). [10] Тест MED использует растворы этанола с различным поверхностным натяжением для наблюдения за смачиванием почвы в течение 10 секунд. Если в течение указанного времени смачивание отсутствует, водный раствор этанола с более низким поверхностным натяжением затем помещается на другую область образца. Результаты теста MED зависят от молярности раствора этанола, капли которого были поглощены в течение отведенных 10 секунд. [10] Классификация водоотталкиваемости почвы по этому тесту может быть выполнена с использованием индекса MED, где неводоотталкивающая почва имеет индекс меньше или равный 1, а сильно водоотталкивающая почва имеет индекс больше или равный 2,2. [8] Индекс MED, поверхностное натяжение 90º, молярность этанола и объемный процент коррелируют и могут быть преобразованы друг в друга. [8] В этом тесте значение поверхностного натяжения жидкость-воздух раствора этанола, которое поглощается в течение этого периода времени, используется как 90-градусное поверхностное натяжение почвы. Давление входа воды, связанное с тестируемой почвой, является еще одним показателем скорости инфильтрации, поскольку оно связано со степенью водоотталкивания наряду с размером пор почвы. [8]
Гидрофобные почвы и их отвращение к воде оказывают влияние на доступность воды для растений, доступные для растений питательные вещества, гидрологию и геоморфологию затронутой области. [5] За счет снижения скорости инфильтрации сокращается время генерации стока и приводит к увеличению потока воды по суше во время осадков или ирригационных событий. Более сильный сток увеличивает эрозию, вызывает неравномерное увлажнение почвы, ускоряет выщелачивание питательных веществ, снижая плодородие почвы, развивает различные пути потока в регионе и увеличивает риск загрязнения почв. [5]
Дренаж питательных веществ происходит в более слабых областях отталкивания в гидрофобной почве, где вода преимущественно стекает в почву. Поскольку вода не может стекать в более сильные области гидрофобности, вода находит пути предпочтительного потока, где она может просочиться глубже в почвенный профиль. Если орошение или осадки обильны, вода потенциально может течь ниже корневой зоны, делая ее недоступной для любой растительной жизни и часто забирая с собой удобрения и питательные вещества. Это дополнительно приводит к неравномерному распределению питательных веществ и применяемых химикатов, что приводит к неоднородной растительности. [11]
В сельскохозяйственных условиях гидрофобная почва является большим ограничением урожайности. Например, в Австралии были зарегистрированы сообщения о потере до 80% продукции из-за водоотталкивающих свойств почвы. [6] Это связано с низкими показателями прорастания семян в почвах, а также низким уровнем доступной для растений воды. [3]
Гидрофобные почвы были обнаружены на всех континентах, за исключением Антарктиды. [5] Это происходит в засушливых регионах США, Южной Австралии и Средиземноморского бассейна, а также во влажных регионах, включая Швецию, Нидерланды, Британскую Колумбию и Колумбию. [6] Хотя это в основном проявляется в почвах с грубой текстурой, таких как почвы с преобладанием песка, это влияет на почвы всех различных типов почв и было отмечено в лесах, пастбищах, сельскохозяйственных участках и кустарниковых угодьях. [6] Как правило, степень гидрофобности более выражена в почвах бобово-злаковых пастбищ по сравнению с возделываемыми сельскохозяйственными полями. [3]
Одним из методов управления водоотталкивающими почвами является глинистость. Это делается путем добавления глинистых материалов в почву, что делает общую текстуру почвы с меньшей площадью поверхности. Было обнаружено, что добавление глины на гидрофобное поле ячменя увеличило урожайность с 1,7 до 3,4 т/га, а на поле люпина увеличило урожайность на 1 т/га в течение периода времени в 2 года. [3] Известкование является еще одним методом снижения водоотталкивающих свойств почвы. [3] Процесс известкования заключается в добавлении карбоната кальция для повышения pH почвы. Гуминовая кислота растворима в воде только при pH выше 6,5, тогда как фульвовая кислота растворима во всех диапазонах pH. Обе резидентные кислоты обладают свойством, которое позволяет им снижать поверхностное натяжение воды в растворе. При увеличении pH почвы увеличивается способность естественной фульвовой кислоты и гуминовой кислоты увеличивать инфильтрацию в гидрофобных почвах. Напротив, сообщалось, что почвы с дефицитом флювиковой кислоты в растворе будут иметь более выраженную водоотталкивающую способность. [3]
Сельскохозяйственная практика обработки почвы снижает степень водоотталкивания почвы. Обработка полей сельскохозяйственных культур снижает содержание углерода в почве за счет смешивания и минерализации, тем самым уменьшая вероятность разложения микроорганизмами, что может привести к рассеиванию гидрофобного покрытия, вызывающего водоотталкивание почвы. [3]
Естественно формирующиеся отверстия и трещины в гидрофобных участках почвы позволяют воде просачиваться на поверхность. Они могут образовываться из роющих животных, корневых каналов или макропор из сгнивших корней. [12] Эти макропоры были определены как важные пути в лесных экосистемах для проникновения воды в почву, поскольку они составляют примерно 35% приповерхностного объема почвы. [12]