В сельском хозяйстве выщелачивание — это потеря водорастворимых питательных веществ для растений из почвы из-за дождя и орошения . Структура почвы , посадка сельскохозяйственных культур, тип и нормы внесения удобрений и другие факторы принимаются во внимание, чтобы избежать чрезмерной потери питательных веществ. Выщелачивание может также относиться к практике применения небольшого количества избыточного орошения , когда вода имеет высокое содержание соли, чтобы избежать накопления солей в почве ( контроль засоления ). Там, где это практикуется, обычно также должен использоваться дренаж , чтобы отводить избыток воды.
Выщелачивание является естественной проблемой окружающей среды, когда оно способствует загрязнению грунтовых вод . Поскольку вода от дождя, наводнения или других источников просачивается в землю, она может растворять химикаты и переносить их в подземные воды. Особую озабоченность вызывают свалки и полигоны опасных отходов , а в сельском хозяйстве — излишки удобрений , неправильно хранящийся навоз и биоциды (например, пестициды , фунгициды , инсектициды и гербициды ).
Азот является распространенным элементом в природе и важным питательным веществом для растений. Примерно 78% атмосферы Земли составляет азот (N 2 ). Прочная связь между атомами N 2 делает этот газ довольно инертным и не пригодным для непосредственного использования растениями и животными. Поскольку азот естественным образом циркулирует в воздухе, воде и почве, он претерпевает различные химические и биологические превращения. Азот способствует росту растений. Затем скот поедает урожай, производя навоз, который возвращается в почву, добавляя органические и минеральные формы азота. Цикл завершается, когда следующий урожай использует измененную почву. [1] Для увеличения производства продуктов питания в корневую зону растений вносятся удобрения, такие как нитрат (NO 3 – ) и аммоний (NH 4 + ), которые легко усваиваются растениями. Однако почвы не поглощают избыток ионов NO 3 – , которые затем свободно перемещаются вниз с дренажной водой и вымываются в грунтовые воды, ручьи и океаны. [2] На степень выщелачивания влияют:
Уровень закиси азота (N 2 O) в атмосфере Земли увеличивается со скоростью от 0,2 до 0,3% в год. Антропогенные источники азота на 50% больше, чем из природных источников, таких как почвы и океаны. Выщелоченные сельскохозяйственные ресурсы, т. е. удобрения и навоз, составляют 75% антропогенного источника азота. [4] Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций ( ФАО) оценивает, что мировой спрос на азотные удобрения будет увеличиваться на 1,7% в год в период с 2011 по 2015 год. Увеличение составит 7,5 млн тонн. Региональное увеличение использования азотных удобрений, как ожидается, составит 67% в Азии, 18% в Америке, 10% в Европе, 3% в Африке и 1% в Океании. [5]
Фосфор (P) является ключевым питательным веществом в отношении эвтрофикации поверхностных вод и, как было показано, ограничивает рост водорослей в озерной среде. Потеря P с сельскохозяйственных полей давно признана одной из основных угроз качеству поверхностных вод. [6] Выщелачивание является важным путем транспортировки потерь P с сельскохозяйственных полей в преимущественно ровных районах с песчаными почвами или почвами, склонными к предпочтительному течению. [7] В отличие от азота фосфор взаимодействует с частицами почвы посредством адсорбции и десорбции . Важными потенциальными местами адсорбции P в почвах являются поверхности оксидов или гидроксидов железа и алюминия, таких как гиббсит или ферригидрит . Почвы, особенно богатые такими минералами, следовательно, имеют потенциал для хранения P, добавленного с удобрениями или навозом. Адсорбированный P находится в сложном равновесии с P в почвенном растворе, которое контролируется множеством различных факторов, таких как:
Фосфор будет выщелачиваться, когда это равновесие смещается таким образом, что либо ранее адсорбированный P высвобождается в почвенный раствор, либо дополнительный P больше не может адсорбироваться. Многие возделываемые почвы получали удобрения или навоз P в количествах, часто превышающих потребность сельскохозяйственных культур, и это часто происходит в течение десятилетий. Фосфор, добавленный в такие почвы, выщелачивается просто потому, что большинство потенциальных мест адсорбции заняты поступлением P из прошлого, так называемым «унаследованным фосфором». [9] [10] Выщелачивание P также может быть вызвано изменением химических условий в почве. Уменьшение окислительно -восстановительного потенциала почвы из-за длительного насыщения водой может привести к восстановительному растворению минералов трехвалентного железа, которые являются важными местами сорбции P. Фосфор, адсорбированный этими минералами, впоследствии также высвобождается в почвенный раствор и может выщелачиваться. Этот процесс имеет особое значение при восстановлении естественных водно-болотных угодий , которые ранее были осушены для сельскохозяйственного производства. [11] [12]
Высокий уровень NO 3 в воде может отрицательно влиять на уровень кислорода как для людей, так и для водных систем. Проблемы со здоровьем человека включают метгемоглобинемию и аноксию , обычно называемые синдромом синего ребенка . В результате этих токсических эффектов регулирующие органы ограничивают допустимое количество NO 3 в питьевой воде до 45–50 мг на литр. Эвтрофикация , снижение содержания кислорода в воде, водных систем может привести к гибели рыб и других морских видов. Наконец, выщелачивание NO 3 из кислых источников может увеличить потерю кальция и других питательных веществ в почве, тем самым снижая продуктивность экосистемы. [ 2]