Контроль за засолением почвы относится к контролю процесса и прогресса засоления почвы с целью предотвращения деградации почвы за счет засоления и рекультивации уже засоленных (засоленных) почв. Рекультивация почвы также известна как улучшение почвы, реабилитация, восстановление , рекультивация или мелиорация.
Основной антропогенной причиной засоления является ирригация . Речная или грунтовая вода , используемая для орошения, содержит соли, которые остаются в почве после испарения воды .
Основной метод контроля засоления почвы заключается в том, чтобы позволить 10–20% поливной воды вымывать почву, чтобы она могла быть осушена и отведена через соответствующую дренажную систему . Концентрация соли в дренажных водах обычно в 5–10 раз выше, чем в оросительной воде, что означает, что экспорт соли будет более точно соответствовать импорту соли и не будет накапливаться.
Соленые (засоленные) почвы имеют повышенное содержание солей . Преобладающей солью обычно является хлорид натрия (NaCl, «столовая соль»). Засоленные почвы, следовательно, тоже являются натриевыми почвами , но могут быть и солончаковые почвы не засоленные, а щелочные .
Этот ущерб составляет в среднем 2000 гектаров орошаемых земель в засушливых и полузасушливых районах ежедневно в течение более 20 лет в 75 странах (каждую неделю мир теряет площадь, превышающую Манхэттен)... Чтобы накормить ожидаемые девять миллиардов человек в мире. к 2050 году, и поскольку новых продуктивных земель мало, на палубе потребуются все земли», — главный автор Манзур Кадир, помощник директора по водным ресурсам и человеческому развитию канадского Института водных ресурсов, окружающей среды и здоровья Университета ООН [1 ]
Согласно исследованию Университета ООН , затронуто около 62 миллионов гектаров (240 тысяч квадратных миль; 150 миллионов акров), что составляет 20% орошаемых земель в мире, по сравнению с 45 миллионами га (170 тысяч квадратных миль; 110 миллионов акров) в начало 1990-х годов. [1] На Индо-Гангской равнине , где проживает более 10% населения мира , потери урожая пшеницы , риса , сахарного тростника и хлопка , выращенных на засоленных землях, могут составить 40%, 45%, 48% и 63%. %, соответственно. [1]
Засоленные почвы являются обычным явлением и экологической проблемой орошаемых земель в засушливых и полузасушливых регионах, что приводит к плохой или низкой урожайности сельскохозяйственных культур. [2] Причины засоления почв часто связаны с высоким уровнем грунтовых вод , что вызвано отсутствием естественного подземного дренажа в землю. 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 депрессии.
Во всем мире основным фактором развития засоленных почв является недостаток осадков . Большинство естественно засоленных почв встречается в (полу)засушливых регионах и климатических зонах Земли.
Техногенное засоление вызвано в первую очередь солью, содержащейся в оросительной воде. Вся оросительная вода, получаемая 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 солей 0,3 г/л (равную 0,3 кг/м 3 , что соответствует электропроводности около 0,5 FdS/м) и умеренный годовой запас оросительной воды 10 000 м 3 /га. (почти 3 мм/сут) приносит ежегодно 3000 кг соли/га. При отсутствии достаточного естественного дренажа (как в заболоченных почвах) и правильной программы выщелачивания и дренажа для удаления солей это может привести к высокому засолению почвы и снижению урожайности сельскохозяйственных культур в долгосрочной перспективе.
Большая часть воды, используемой для орошения, имеет более высокое содержание солей, чем 0,3 г/л, что усугубляется тем, что ирригационные проекты используют гораздо больший годовой запас воды. Например, сахарному тростнику требуется около 20 000 м 3 /га воды в год. В результате на орошаемые территории часто поступает более 3 000 кг/га соли в год, а на некоторые – до 10 000 кг/га/год.
Вторичной причиной засоления является заболачивание орошаемых земель. Орошение вызывает изменение естественного водного баланса орошаемых земель. Большие объемы воды в ирригационных проектах не потребляются растениями и должны 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 составляет менее 60%. Это означает, что минимум 30%, но обычно более 40% поливной воды не испаряется и ей нужно куда-то уходить.
Большая часть потерянной таким образом воды хранится под землей, что может значительно изменить первоначальную гидрологию местных водоносных горизонтов . Многие водоносные горизонты не могут поглощать и транспортировать такое количество воды, поэтому уровень грунтовых вод поднимается, что приводит к заболачиванию.
Заболачивание вызывает три проблемы:
Условия водоносного горизонта на орошаемых землях и поток грунтовых вод играют важную роль в засолении почвы, [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 солевой и водный баланс , достигается новое равновесие и ситуация становится стабильной.
Только в Индии тысячи квадратных километров подверглись сильному засолению. Китай и Пакистан не сильно отстают (возможно, в Китае даже больше засоленных земель, чем в Индии). Региональное распределение 3 230 000 км 2 засоленных земель по всему миру показано в следующей таблице, составленной на основе Почвенной карты мира ФАО / ЮНЕСКО . [4]
Хотя принципы процессов засоления довольно легко понять, труднее объяснить, почему одни части суши страдают от проблем, а другие нет, или точно предсказать , какая часть суши станет жертвой. Основная причина этого — изменение природных условий во времени и пространстве, обычно неравномерное распределение оросительной воды, сезонные или годовые изменения агротехнических приемов . Только в землях с холмистым рельефом прогноз прост: депрессивные территории будут деградировать сильнее всего.
Подготовка солевого и водного балансов [3] для отдельных подрайонов в ирригационном проекте или использование агро-гидро-соленых моделей [5] может быть полезным для объяснения или прогнозирования масштабов и серьезности проблем.
Засоленность почвы измеряется как концентрация солей в почвенном растворе в г/л или как электропроводность (EC) в дСм/м . 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 ЕС 50 дСм/м.
Стандартом для определения засоления почвы является экстракт насыщенной пасты почвы, и EC тогда записывается как ECe. Экстракт получают центрифугированием . Соленость легче измерить без центрифугирования в смеси вода:почва в соотношении 2:1 или 5:1 (в пересчете на г воды на г сухой почвы), чем в насыщенной пасте. Отношение между ECe и EC 2:1 составляет около 4, следовательно: ECe = 4EC 1:2 . [8]
Почвы считаются засоленными, если ECe > 4. [9] При 4 < ECe < 8 почву называют слабозасоленной, при 8 < ECe < 16 – (умеренно) засоленной, а при ECe > 16 – сильно засоленной.
Чувствительные культуры теряют свою силу уже на слабозасоленных почвах; на большинство сельскохозяйственных культур отрицательно влияют (умеренно) засоленные почвы, и только устойчивые к засолению культуры хорошо растут на сильно засоленных почвах. Университет Вайоминга [10] и правительство Альберты [11] сообщают данные о солеустойчивости растений.
Дренаж является основным методом борьбы с засолением почвы. Система должна позволять сливать и выводить небольшую часть оросительной воды (около 10–20 процентов, дренажная или промывная фракция) за пределы ирригационного проекта. [12]
На орошаемых территориях, где минерализация стабильна, концентрация солей в дренажных водах 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 дренажных водах первоначально будет значительно выше, чем в оросительной воде (например, в 50 раз). Экспорт соли значительно превысит импорт соли, так что при той же фракции дренажа произойдет быстрое опреснение. Через один-два года засоление почвы снижается настолько, что минерализация дренажных вод приходит в норму и достигается новое, благоприятное равновесие.
В регионах с ярко выраженным засушливым и влажным сезонами водоотводная система может эксплуатироваться только во влажный период и закрываться в засушливый период. Эта практика контролируемого или контролируемого дренажа экономит оросительную воду.
Сброс соленых дренажных вод может создать экологические проблемы для территорий, расположенных ниже по течению. Экологические опасности следует учитывать очень внимательно и, при необходимости, принимать меры по их снижению. По возможности дренаж следует ограничивать только влажными сезонами, когда соленые стоки наносят наименьший вред.
Дренаж земель для борьбы с засолением почвы обычно осуществляется с помощью горизонтальной дренажной системы (рисунок слева), но также используются вертикальные системы (рисунок справа).
Дренажная система, предназначенная для отвода соленой воды, также снижает уровень грунтовых вод . Для снижения стоимости системы понижение необходимо свести к минимуму. Максимально допустимый уровень грунтовых вод (или минимально допустимая глубина) зависит от ирригационной и агротехники и вида сельскохозяйственных культур.
Во многих случаях средняя сезонная глубина уровня грунтовых вод от 0,6 до 0,8 м является достаточной. Это означает, что уровень грунтовых вод иногда может быть ниже 0,6 м (скажем, 0,2 м сразу после орошения или ливня). Это автоматически означает, что в других случаях уровень грунтовых вод будет глубже 0,8 м (скажем, 1,2 м). Колебания уровня грунтовых вод способствуют дыхательной функции почвы, одновременно содействуя выведению углекислого газа (CO 2 ), вырабатываемого корнями растений , и вдыханию свежего кислорода (O 2 ).
Установление не слишком глубокого уровня грунтовых вод дает дополнительное преимущество: не рекомендуется чрезмерное орошение полей, поскольку возникающий в результате подъем уровня грунтовых вод отрицательно повлияет на урожайность, и можно сэкономить оросительную воду.
Сделанные выше утверждения об оптимальной глубине уровня грунтовых вод носят очень общий характер, поскольку в некоторых случаях требуемый уровень грунтовых вод может быть еще меньше указанного (например, на рисовых полях), тогда как в других случаях он должен быть значительно глубже (например, в некоторых садах ). Установление оптимальной глубины грунтовых вод относится к критериям сельскохозяйственного дренажа . [13]
Вадозная зона почвы ниже поверхности почвы и уровня грунтовых вод подвержена воздействию четырех основных гидрологических факторов притока и оттока: [3]
В устойчивом состоянии (т.е. количество воды, запасенной в ненасыщенной зоне, не меняется в долгосрочной перспективе) водный баланс ненасыщенной зоны выглядит следующим образом: Приток = Отток, таким образом:
а солевой баланс
где Ci – концентрация солей оросительной воды, Cc – концентрация солей капиллярного подъема, равная концентрации солей верхней части грунтового водного объекта, Fc – доля общего испарения, транспираируемая растениями, Ce – концентрация солей в воде, поглощаемой корнями растений, Cp — концентрация солей в просачивающейся воде, Ss — увеличение запаса солей в ненасыщенной почве. Это предполагает, что осадки не содержат солей. Только вдоль побережья это может быть не так. Далее предполагается, что стока и поверхностного дренажа не происходит. Количество удаляемого растениями (Evap.Fc.Ce) обычно пренебрежимо мало: Evap.Fc.Ce = 0.
Концентрацию соли Cp можно принять как часть концентрации соли в почве в ненасыщенной зоне (Cu) по формуле: 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 Лезирия Гранде в дельте реки Тежу в Португалии было обнаружено, что эффективность выщелачивания составила всего 0,15. [15]
Предполагая, что кто-то хочет избежать засоления почвы, чтобы увеличить и поддерживать засоленность почвы Cu на желаемом уровне Cd, мы имеем:
Ss = 0, Cu = Cd и Cp = Le.Cd. Следовательно, солевой баланс можно упростить до:
Приняв количество перколяционной воды, необходимое для выполнения этого солевого баланса, равное Lr ( требованию выщелачивания ), обнаруживают, что:
Подстановка здесь Irr = Evap + Perc − Rain − Cap и перестановка дают:
Благодаря этому также можно рассчитать требования к ирригации и дренажу для контроля засоления.
В ирригационных проектах в (полу)засушливых зонах и климатических условиях важно проверять требования к выщелачиванию, при этом необходимо учитывать эффективность полевого орошения
(указывающую долю оросительной воды, просачивающейся в землю).
Желаемый уровень засоления почвы Cd зависит от устойчивости сельскохозяйственных культур к соли. Университет Вайоминга, [10] США, и правительство Альберты, [11] Канада сообщают данные о толерантности сельскохозяйственных культур.
На орошаемых землях с ограниченными водными ресурсами, страдающими от дренажа (высокий уровень грунтовых вод) и проблем с засолением почвы, иногда практикуется полосное земледелие с полосами земли, где каждая вторая полоса орошается, а полосы между ними остаются под постоянным паром . [16]
Благодаря использованию воды в орошаемых полосах они имеют более высокий уровень грунтовых вод , что вызывает приток грунтовых вод в неорошаемые полосы. Этот сток выполняет функцию подземного дренажа для орошаемых полос, благодаря чему уровень грунтовых вод поддерживается на не слишком малой глубине, возможно выщелачивание почвы, а засоленность почвы можно контролировать на приемлемо низком уровне.
В неорошаемых (жертвенных) полосах почва сухая, грунтовые воды поднимаются по капиллярам и испаряются, оставляя соли, в результате чего здесь происходит засоление почвы. Тем не менее, они могут найти некоторое применение для животноводства , посева устойчивых к засолению трав или сорняков . Кроме того, можно сажать полезные солеустойчивые деревья, такие как Казуарина , Эвкалипт или Атриплекс , учитывая, что деревья имеют глубокую корневую систему и соленость влажного подпочвы меньше, чем верхнего слоя почвы . Таким образом можно контролировать ветровую эрозию . Неорошаемые полосы также можно использовать для сбора соли . [ нужна цитата ]
.JPG/1280px-File-Saltmod8_(2).JPG)
Большинство доступных компьютерных моделей 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 вода 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 переменным содержанием влаги в ненасыщенной почве , натяжением воды, кривой удержания воды , ненасыщенной гидравлической проводимостью , дисперсностью и диффузией . Эти отношения в значительной степени различаются от места к месту и время от времени, и их нелегко измерить. Кроме того, модели сложно калибровать в полевых условиях фермера, поскольку засоленность почвы здесь очень изменчива в пространстве. В моделях используются короткие временные шаги, и им необходима по крайней мере ежедневная, если не ежечасная, база данных гидрологических явлений. В целом это делает применение модели в довольно крупном проекте задачей команды специалистов, обладающих достаточными возможностями.
Также доступны более простые модели, такие как SaltMod [5] , основанные на месячных или сезонных балансах воды и почвы и эмпирической функции капиллярного подъема. Они полезны для долгосрочного прогнозирования засоления в связи с практикой орошения и дренажа .
LeachMod, [21] [22] с использованием принципов SaltMod помогает анализировать эксперименты по выщелачиванию, в которых засоление почвы контролировалось в различных слоях корневой зоны, в то время как модель оптимизирует значение эффективности выщелачивания каждого слоя, чтобы получить соответствие наблюдаемых с смоделированными значениями засоления почвы.
Пространственные изменения, вызванные различиями в топографии, можно смоделировать и спрогнозировать с помощью моделей солености и подземных вод , таких как SahysMod .