Контроль засоления почвы относится к контролю процесса и прогрессирования засоления почвы для предотвращения деградации почвы за счет засоления и рекультивации уже засоленных (соленых) почв. Рекультивация почвы также известна как улучшение почвы, реабилитация, рекультивация , рекультивация или мелиорация.
Основной антропогенной причиной засоления является орошение . Речная вода или грунтовые воды , используемые для орошения, содержат соли, которые остаются в почве после испарения воды .
Основной метод контроля засоленности почвы заключается в том, чтобы позволить 10–20% оросительной воды выщелачивать почву , чтобы она была осушена и сброшена через соответствующую дренажную систему . Концентрация соли в дренажной воде обычно в 5–10 раз выше, чем в оросительной воде, что означает, что экспорт соли будет более точно соответствовать импорту соли, и она не будет накапливаться.
Соленые (засоленные) почвы имеют высокое содержание соли . Преобладающей солью обычно является хлорид натрия (NaCl, «поваренная соль»). Засоленные почвы, таким образом, также являются содовыми почвами , но могут быть содовые почвы, которые не являются солеными, а щелочными .
Этот ущерб составляет в среднем 2000 гектаров орошаемых земель в засушливых и полузасушливых районах ежедневно на протяжении более 20 лет в 75 странах (каждую неделю мир теряет площадь, превышающую Манхэттен)... Чтобы прокормить ожидаемое количество людей в мире в 2050 году, и при небольшом количестве новых продуктивных земель, речь идет о том, чтобы все земли были на палубе. — основной автор Манзур Кадир, помощник директора по водным ресурсам и развитию человека в Институте водных ресурсов, окружающей среды и здравоохранения при Университете ООН в Канаде [1]
Согласно исследованию Университета ООН , около 62 миллионов гектаров (240 тысяч квадратных миль; 150 миллионов акров), что составляет 20% орошаемых земель мира, затронуты, по сравнению с 45 миллионами гектаров (170 тысяч квадратных миль; 110 миллионов акров) в начале 1990-х годов. [1] На Индо-Гангской равнине , где проживает более 10% населения мира , потери урожайности пшеницы , риса , сахарного тростника и хлопка, выращиваемых на засоленных землях, могут составить 40%, 45%, 48% и 63% соответственно. [1]
Соленые почвы являются распространенной чертой и экологической проблемой на орошаемых землях в засушливых и полузасушливых регионах, что приводит к плохому или низкому производству сельскохозяйственных культур. [2] Причины соленых почв часто связаны с высоким уровнем грунтовых вод , который вызван отсутствием естественного подземного дренажа в подземные воды. Плохой подземный дренаж может быть вызван недостаточной транспортной способностью водоносного горизонта или тем, что вода не может выйти из водоносного горизонта, например, если водоносный горизонт расположен в топографической впадине.
Во всем мире основным фактором развития засоленных почв является недостаток осадков . Большинство естественно засоленных почв встречаются в (полу)засушливых регионах и климатических зонах Земли.
Искусственное засоление в первую очередь вызвано солью, содержащейся в оросительной воде. Вся оросительная вода, полученная из рек или грунтовых вод, независимо от ее чистоты, содержит соли, которые остаются в почве после испарения воды.
Например, если предположить, что оросительная вода имеет низкую концентрацию соли 0,3 г/л (что соответствует 0,3 кг/м3 , что соответствует электропроводности около 0,5 FdS/м) и скромный годовой запас оросительной воды 10 000 м3 / га (почти 3 мм/день), то ежегодно будет выпадать 3000 кг соли/га. При отсутствии достаточного естественного дренажа (как в заболоченных почвах) и надлежащей программы промывки и дренажа для удаления солей это приведет к высокой засоленности почвы и снижению урожайности в долгосрочной перспективе.
Большая часть воды, используемой для орошения, имеет более высокое содержание соли, чем 0,3 г/л, что усугубляется ирригационными проектами, использующими гораздо больший годовой запас воды. Сахарный тростник , например, требует около 20 000 м 3 /га воды в год. В результате орошаемые площади часто получают более 3000 кг/га соли в год, а некоторые получают до 10 000 кг/га/год.
Вторичной причиной засоления является заболачивание орошаемых земель. Орошение приводит к изменению естественного водного баланса орошаемых земель. Большое количество воды в ирригационных проектах не потребляется растениями и должна куда-то уходить. В ирригационных проектах невозможно достичь 100% эффективности орошения, когда вся оросительная вода потребляется растениями. Максимально достижимая эффективность орошения составляет около 70%, но обычно она меньше 60%. Это означает, что минимум 30%, а обычно более 40% оросительной воды не испаряется и она должна куда-то уходить.
Большая часть воды, потерянной таким образом, хранится под землей, что может значительно изменить изначальную гидрологию местных водоносных горизонтов . Многие водоносные горизонты не могут впитывать и транспортировать такое количество воды, и поэтому уровень грунтовых вод повышается, что приводит к заболачиванию.
Заболачивание вызывает три проблемы:
Состояние водоносного горизонта на орошаемых землях и поток грунтовых вод играют важную роль в засолении почв, [3] как показано здесь:
Обычно засоление сельскохозяйственных земель затрагивает значительную площадь от 20% до 30% в ирригационных проектах. Когда сельское хозяйство на такой части земли прекращается, достигается новый баланс соли и воды , достигается новое равновесие и ситуация становится стабильной.
Только в Индии тысячи квадратных километров были сильно засолены. Китай и Пакистан не отстают намного (возможно, в Китае даже больше засоленных земель, чем в Индии). Региональное распределение 3 230 000 км 2 засоленных земель во всем мире показано в следующей таблице, полученной из Карты почв мира ФАО / ЮНЕСКО . [4]
Хотя принципы процессов засоления довольно легко понять, гораздо сложнее объяснить, почему некоторые части земли страдают от проблем, а другие нет, или точно предсказать, какая часть земли станет жертвой. Главной причиной этого является изменение природных условий во времени и пространстве, обычно неравномерное распределение поливной воды и сезонные или годовые изменения сельскохозяйственных практик . Только на землях с волнистым рельефом прогноз прост: деградируют больше всего депрессивные области.
Составление балансов соли и воды [3] для отдельных участков в проекте орошения или использование моделей агро-гидро-солености [5] может быть полезным для объяснения или прогнозирования масштабов и серьезности проблем.
Засоленность почвы измеряется как концентрация соли в почвенном растворе в единицах г/л или электропроводность (EC) в dS/m . Соотношение между этими двумя единицами составляет около 5/3: yg/L => 5y/3 dS/m. Морская вода может иметь концентрацию соли 30 г/л (3%) и EC 50 dS/m.
Стандартом для определения солености почвы является экстракт насыщенной пасты почвы, и EC затем записывается как ECe. Экстракт получают путем центрифугирования . Соленость легче измерить без центрифугирования в смеси вода:почва 2:1 или 5:1 (в пересчете на г воды на г сухой почвы), чем в насыщенной пасте. Соотношение между ECe и EC 2:1 составляет около 4, следовательно: ECe = 4EC 1:2 . [8]
Почвы считаются засоленными, если ECe > 4. [9] Если 4 < ECe < 8, почва называется слабозасоленной, если 8 < ECe < 16, она называется (умеренно)засоленной, а если ECe > 16, то сильнозасоленной.
Чувствительные культуры теряют свою силу уже на слегка засоленных почвах; большинство культур отрицательно сказываются на (умеренно) засоленных почвах, и только устойчивые к засолению культуры процветают на сильно засоленных почвах. Университет Вайоминга [10] и правительство Альберты [11] сообщают данные о солеустойчивости растений.
Дренаж является основным методом контроля засоленности почвы. Система должна позволять сливать и выводить из ирригационного проекта небольшую часть оросительной воды (около 10–20 процентов, дренажная или промывочная фракция). [12]
На орошаемых территориях, где соленость стабильна, концентрация соли в дренажной воде обычно в 5-10 раз выше, чем в оросительной воде. Экспорт соли соответствует импорту соли, и соль не будет накапливаться.
При рекультивации уже засоленных почв концентрация солей в дренажной воде первоначально будет намного выше, чем в оросительной воде (например, в 50 раз выше). Вывоз солей будет значительно превышать импорт солей, так что при той же доле дренажа произойдет быстрое рассоление. Через один-два года засоление почвы настолько уменьшится, что засоление дренажной воды снизится до нормального значения и наступит новое, благоприятное равновесие.
В регионах с выраженными сухими и влажными сезонами дренажная система может работать только в влажный сезон и закрываться в сухой сезон. Такая практика контролируемого или контролируемого дренажа экономит воду для орошения.
Сброс соленых дренажных вод может представлять экологические проблемы для территорий ниже по течению. Экологические опасности должны быть рассмотрены очень тщательно и, при необходимости, должны быть приняты меры по смягчению. По возможности, дренаж должен быть ограничен только влажными сезонами, когда соленые стоки наносят наименьший вред.
Дренаж земель для контроля засоления почв обычно осуществляется с помощью горизонтальной дренажной системы (рисунок слева), но также применяются и вертикальные системы (рисунок справа).
Система дренажа, предназначенная для отвода соленой воды, также понижает уровень грунтовых вод . Чтобы снизить стоимость системы, понижение должно быть сведено к минимуму. Максимально допустимый уровень грунтовых вод (или минимально допустимая глубина) зависит от методов орошения и ведения сельского хозяйства, а также вида сельскохозяйственных культур.
Во многих случаях сезонная средняя глубина уровня грунтовых вод от 0,6 до 0,8 м является достаточной. Это означает, что уровень грунтовых вод может иногда быть ниже 0,6 м (скажем, 0,2 м сразу после полива или ливня). Это автоматически подразумевает, что в других случаях уровень грунтовых вод будет глубже 0,8 м (скажем, 1,2 м). Колебание уровня грунтовых вод помогает дыхательной функции почвы, в то время как выведение углекислого газа (CO 2 ), вырабатываемого корнями растений , и вдыхание свежего кислорода (O 2 ) поощряются.
Установление не слишком глубокого уровня грунтовых вод дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что исключается чрезмерное орошение полей, поскольку из-за повышения уровня грунтовых вод урожайность может пострадать, а также может быть сэкономлена вода для орошения.
Вышеприведенные утверждения об оптимальной глубине уровня грунтовых вод являются весьма общими, поскольку в некоторых случаях требуемый уровень грунтовых вод может быть еще ниже указанного (например, на рисовых полях), в то время как в других случаях он должен быть значительно глубже (например, в некоторых садах ). Установление оптимальной глубины уровня грунтовых вод относится к сфере критериев сельскохозяйственного дренажа . [13]
Зона аэрации почвы под поверхностью почвы и уровнем грунтовых вод подвержена влиянию четырех основных гидрологических факторов притока и оттока: [3]
В устойчивом состоянии (т.е. количество воды, хранящейся в ненасыщенной зоне, не меняется в долгосрочной перспективе) водный баланс ненасыщенной зоны выглядит следующим образом: Приток = Отток, таким образом:
и солевой баланс
где Ci - концентрация соли в оросительной воде, Cc - концентрация соли в капиллярном подъеме, равная концентрации соли в верхней части грунтового водоема, Fc - доля общего испарения, транспирируемая растениями, Ce - концентрация соли в воде, поглощаемой корнями растений, Cp - концентрация соли в просачивающейся воде, а Ss - увеличение запаса соли в ненасыщенной почве. Это предполагает, что осадки не содержат солей. Только вдоль побережья это может быть неверно. Кроме того, предполагается, что не происходит стока или поверхностного дренажа. Количество удаляемой растениями (Evap.Fc.Ce) обычно пренебрежимо мало: Evap.Fc.Ce = 0
Концентрацию соли Cp можно рассматривать как часть концентрации соли в почве в ненасыщенной зоне (Cu), что дает: Cp = Le.Cu, где Le — эффективность выщелачивания . Эффективность выщелачивания часто составляет порядка 0,7–0,8, [14] но в плохо структурированных , тяжелых глинистых почвах она может быть меньше. В польдере Leziria Grande в дельте реки Тежу в Португалии было обнаружено, что эффективность выщелачивания составляла всего 0,15. [15]
Предполагая, что кто-то хочет избежать засоления почвы, чтобы увеличить и поддерживать засоление почвы Cu на желаемом уровне Cd, мы имеем:
Ss = 0, Cu = Cd и Cp = Le.Cd. Следовательно, солевой баланс можно упростить до:
Установив количество фильтрационной воды, необходимое для выполнения этого солевого баланса, равным Lr ( требование выщелачивания ), получаем, что:
Подставляя здесь Irr = Evap + Perc − Rain − Cap и переставляя, получаем:
С помощью этого можно также рассчитать требования к орошению и дренажу для контроля засоленности.
В ирригационных проектах в (полу)засушливых зонах и климате важно проверить требования к выщелачиванию, при этом следует учитывать эффективность полевого орошения
(указывающую долю оросительной воды, просачивающейся в грунт).
Желаемый уровень засоленности почвы Cd зависит от толерантности сельскохозяйственных культур к соли. Университет Вайоминга [10] США и правительство Альберты [11] Канады сообщают данные о толерантности сельскохозяйственных культур.
На орошаемых землях с дефицитом водных ресурсов, страдающих от проблем с дренажем (высокий уровень грунтовых вод) и засоленностью почвы, иногда практикуется полосное земледелие, при котором каждая вторая полоса орошается, а полосы между ними остаются постоянно под паром . [16]
Благодаря применению воды в орошаемых полосах они имеют более высокий уровень грунтовых вод , что вызывает поток грунтовых вод в неорошаемые полосы. Этот поток функционирует как подземный дренаж для орошаемых полос, в результате чего уровень грунтовых вод поддерживается на не слишком малой глубине, возможно выщелачивание почвы, а засоление почвы можно контролировать на приемлемо низком уровне.
В неорошаемых (жертвенных) полосах почва сухая, а грунтовые воды поднимаются капиллярным способом и испаряются, оставляя соли, так что здесь почва засоляется. Тем не менее, они могут быть использованы для скота , посева солеустойчивых трав или сорняков . Кроме того, можно посадить полезные солеустойчивые деревья, такие как Casuarina , Eucalyptus или Atriplex , имея в виду, что у деревьев глубокая корневая система, а соленость влажной подпочвы меньше, чем верхнего слоя почвы . Таким образом можно контролировать ветровую эрозию . Неорошаемые полосы также можно использовать для сбора соли . [ требуется цитата ]
.JPG/1280px-File-Saltmod8_(2).JPG)
Большинство доступных компьютерных моделей для переноса воды и растворенных веществ в почве (например, SWAP, [17] DrainMod-S, [18] UnSatChem, [19] и Hydrus [20] ) основаны на дифференциальном уравнении Ричарда для движения воды в ненасыщенной почве в сочетании с дифференциальным уравнением конвекции-диффузии Фика для адвекции и рассеивания солей.
Модели требуют ввода характеристик почвы, таких как отношения между переменной ненасыщенной влажностью почвы , натяжением воды, кривой удержания воды , ненасыщенной гидравлической проводимостью , дисперсностью и диффузией . Эти отношения сильно различаются от места к месту и от времени к времени, и их нелегко измерить. Кроме того, модели сложно калибровать в полевых условиях фермера, поскольку соленость почвы здесь пространственно очень изменчива. Модели используют короткие временные шаги и нуждаются как минимум в ежедневной, если не почасовой, базе данных гидрологических явлений. В целом, это делает применение модели к довольно крупному проекту работой команды специалистов с достаточными возможностями.
Также доступны более простые модели, такие как SaltMod [5], основанные на ежемесячных или сезонных балансах воды и почвы и эмпирической функции капиллярного подъема. Они полезны для долгосрочных прогнозов солености в отношении методов орошения и дренажа .
LeachMod, [21] [22] Использование принципов SaltMod помогает анализировать эксперименты по выщелачиванию, в которых засоление почвы отслеживалось в различных слоях корневой зоны, в то время как модель оптимизирует значение эффективности выщелачивания каждого слоя, чтобы получить соответствие наблюдаемых значений засоления почвы смоделированным.
Пространственные изменения, обусловленные изменениями в топографии, можно моделировать и прогнозировать с помощью моделей солености и грунтовых вод , таких как SahysMod .