stringtranslate.com

Щелочная почва

Щелочные или щелочные почвы — это глинистые почвы с высоким pH (более 8,5), плохой структурой почвы и низкой инфильтрационной способностью. Часто они имеют твердый известковый слой на глубине от 0,5 до 1 метра. Щелочные почвы обязаны своими неблагоприятными физико-химическими свойствами в основном доминирующему присутствию карбоната натрия , который заставляет почву набухать [1] и затрудняет ее осветление/осаждение. Они получили свое название от группы щелочных металлов , к которой принадлежит натрий , и которая может вызывать основность . Иногда эти почвы также называют щелочно- натриевыми почвами . Щелочные почвы являются основными , но не все основные почвы являются щелочными .

Причины

Причины щелочности почвы могут быть естественными и искусственными:

  1. Естественной причиной является наличие в почве минералов, которые при выветривании образуют карбонат натрия ( Na2CO3 ) и бикарбонат натрия (NaHCO3 ) .
  2. Угольные котлы / электростанции, при использовании угля или лигнита, богатого известняком , производят золу, содержащую оксид кальция . CaO легко растворяется в воде, образуя гашеную известь , Ca(OH) 2 , и переносится дождевой водой в реки / оросительную воду. Процесс смягчения извести осаждает ионы Ca2 + и Mg2 + / удаляет жесткость в воде, а также преобразует бикарбонаты натрия в речной воде в карбонат натрия. [2] Карбонаты натрия (стиральная сода) далее вступают в реакцию с оставшимися Ca2 + и Mg2 + в воде, удаляя / осаждают общую жесткость . Также водорастворимые соли натрия, присутствующие в золе, увеличивают содержание натрия в воде. Глобальное потребление угля в мире составило 7,7 млрд тонн в 2011 году. [ требуется цитата ] Таким образом, угольные котлы делают речную воду лишенной ионов Ca2 + и Mg2 + и повышают содержание Na +. [ требуется разъяснение ]
  3. Многие соли натрия используются в промышленных и бытовых целях, такие как карбонат натрия , бикарбонат натрия (пищевая сода), сульфат натрия , гидроксид натрия (едкий натр), гипохлорит натрия (отбеливатель) и т. д. в огромных количествах. Эти соли в основном производятся из хлорида натрия (поваренной соли). Весь натрий в этих солях попадает в реку / грунтовые воды в процессе их производства или потребления, повышая натриевость воды. Общее мировое потребление хлорида натрия составляет 270 миллионов тонн в 2010 году. Это почти равно солевой нагрузке в могучей реке Амазонке . Вклад искусственных солей натрия составляет почти 7% от общей солевой нагрузки всех рек. Проблема солевой нагрузки натрия усугубляется в нижнем течении интенсивно возделываемых речных бассейнов, расположенных в Китае, Индии, Египте, Пакистане, Западной Азии, Австралии, западной части США и т. д. из-за накопления солей в оставшейся воде после различных потерь на транспирацию и испарение. [3]
  4. Другой источник добавления искусственных солей натрия к сельскохозяйственным полям / массиву суши находится вблизи мокрых градирен, использующих морскую воду для рассеивания отработанного тепла, вырабатываемого в различных отраслях промышленности, расположенных вблизи морского побережья. Огромные градирни установлены на нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических комплексах, заводах по производству удобрений, химических заводах, атомных и тепловых электростанциях, централизованных системах HVAC и т. д. Дрейф / мелкие капли, выбрасываемые из градирен, содержат около 6% хлорида натрия, который будет осаждаться на прилегающих территориях. Эта проблема усугубляется там, где национальные нормы контроля загрязнения не вводятся или не реализуются для минимизации выбросов дрейфа до наилучшей промышленной нормы для мокрых градирен на основе морской воды. [4]
  5. Причиной антропогенного воздействия является использование в орошении смягченной воды (поверхностной или грунтовой), содержащей относительно большую долю гидрокарбонатов натрия и меньше кальция и магния. [1]

Проблемы сельского хозяйства

Щелочные почвы трудно использовать в сельскохозяйственном производстве. Из-за низкой инфильтрационной способности дождевая вода легко застаивается на почве, и в засушливые периоды возделывание вряд ли возможно без обильного полива и хорошего дренажа. Сельское хозяйство ограничивается культурами, устойчивыми к поверхностному заболачиванию (например, рис , трава), и производительность ниже.

Химия

Щелочность почвы связана с наличием в ней карбоната натрия ( Na2CO3 ) или бикарбоната натрия (NaHCO3 ) [5] , которые появляются либо в результате естественного выветривания частиц почвы, либо приносятся с орошением и/или паводковыми водами .

Эта соль чрезвычайно растворима, при гидратации она диссоциирует на:

На
2КО
3→ 2 На+
+ СО2−
3

Карбонатный анион CO2−
3, является слабым основанием, принимающим протон, поэтому он гидролизуется в воде с образованием бикарбонатного иона и гидроксильного иона :

КО2−
3+ Н
2О → НСО−
3+ ОН−

что в свою очередь дает угольную кислоту и гидроксил:

ХСО−
3+ Н
2О → Н
2КО
3+ ОН−

См. карбонат для равновесия карбонат-бикарбонат-диоксид углерода.

Вышеуказанные реакции аналогичны растворению карбоната кальция , единственное различие заключается в растворимости двух солей. Na 2 CO 3 составляет околоВ 78 000 раз более растворим, чем CaCO 3 , поэтому он может растворять гораздо большее количество CO2−
3, тем самым повышая pH до значений выше 8,5, что превышает максимально достижимый pH, когда равновесие между карбонатом кальция и растворенным углекислым газом находится в равновесии в почвенном растворе.

Примечания :
  • Вода (H 2 O) частично диссоциирует на ионы H 3 O + ( гидроксоний ) и OH – ( гидроксил ). Ион H 3 O + имеет положительный электрический заряд (+), и его концентрация обычно записывается как [H + ]. Ион гидроксила OH – имеет отрицательный заряд (−), и его концентрация записывается как [OH − ].
  • В чистой воде при 25 °C константа диссоциации воды ( Kw ) равна 10−14 . Поскольку Kw = [H + ] × [OH– ] , то концентрация ионов H3O + и OH– равна 10−7 М  (очень малая концентрация).
  • В нейтральной воде pH , будучи отрицательным десятичным логарифмом концентрации H 3 O + , равен 7. Аналогично, pOH также равен 7. Каждое уменьшение pH указывает на десятикратное увеличение концентрации H 3 O + . Аналогично, каждое увеличение pH указывает на десятикратное увеличение концентрации OH – .
  • В воде с растворенными солями концентрации ионов H 3 O + и OH – могут изменяться, но их сумма остается постоянной, а именно 7 + 7 = 14. Таким образом, pH 7 соответствует pOH 7, а pH 9 — pOH 5.
  • Формально предпочтительнее выражать концентрации ионов через химическую активность , но это практически не влияет на значение pH.
  • Вода с избытком ионов H 3 O + называется кислой ( pH < 7 ), а вода с избытком ионов OH - называется щелочной или скорее основной ( pH > 7 ). Почвенная влага с pH < 4 называется очень кислой, а с pH > 10 - очень щелочной (основной).

H 2 CO 3 ( угольная кислота ) нестабильна и производит H 2 O (воду) и CO 2 ( углекислый газ, выделяющийся в атмосферу). Это объясняет остаточную щелочность (или, скорее, основность ) в виде растворимого гидроксида натрия и высокий pH или низкий pOH .

Не весь растворенный карбонат натрия подвергается указанной выше химической реакции. Оставшийся карбонат натрия, а отсюда и присутствие CO2−
3ионы, заставляет CaCO 3 (который лишь слабо растворим) выпадать в осадок в виде твердого карбоната кальция (известняка), поскольку продукт CO2−
3концентрация и концентрация Ca 2+ превышает допустимый предел. Следовательно, ионы кальция Ca 2+ иммобилизуются.

Процесс обмена натрия между ионами, адсорбированными на поверхности глинистых частиц, и ионами, содержащимися в почвенной влаге

Присутствие большого количества ионов Na + в почвенном растворе и осаждение ионов Ca2 + в виде твердого минерала приводит к тому, что частицы глины , имеющие отрицательные электрические заряды вдоль своих поверхностей, адсорбируют больше Na + в зоне диффузной адсорбции (DAZ, ​​также чаще называемой диффузным двойным слоем (DDL) или двойным электрическим слоем (EDL), см. соответствующий рисунок) [6] и, взамен, высвобождают ранее адсорбированный Ca2 + , за счет чего увеличивается процентное содержание обменного натрия (ESP), как показано на том же рисунке.

Na + более подвижен и имеет меньший электрический заряд, чем Ca2 + , поэтому толщина DDL увеличивается по мере того, как больше ионов натрия занимают его. Толщина DDL также зависит от общей концентрации ионов во влажной почве в том смысле, что более высокие концентрации вызывают сокращение зоны DDL.

Глинистые частицы со значительным ESP (> 16) при контакте с незасоленной почвенной влагой имеют расширенную зону DDL, и почва набухает ( дисперсия ). [6] Это явление приводит к ухудшению структуры почвы , и особенно к образованию корки и уплотнению верхнего слоя. Следовательно, инфильтрационная способность почвы и наличие воды в почве снижаются, в то время как поверхностное заболачивание или поверхностный сток увеличиваются. Всхожесть всходов и урожайность сельскохозяйственных культур сильно страдают.

Примечание :
  • В условиях засоления многочисленные ионы в почвенном растворе противодействуют набуханию почвы, поэтому засоленные почвы обычно не обладают неблагоприятными физическими свойствами. Щелочные почвы, в принципе, не являются засоленными, поскольку проблема щелочности тем сильнее, чем меньше засоленности.

Проблемы щелочности более выражены в глинистых почвах, чем в суглинистых, илистых или песчаных почвах. Глинистые почвы, содержащие монтмориллонит или смектит (набухающие глины), более подвержены проблемам щелочности, чем иллитовые или каолинитовые глинистые почвы. Причина в том, что первые типы глины имеют большую удельную поверхность ( т. е. площадь поверхности частиц почвы, деленная на их объем) и более высокую емкость катионного обмена (CEC).

Примечание :
  • Некоторые глинистые минералы с почти 100% ESP (т.е. почти полностью насыщенные натрием) называются бентонитом и используются в гражданском строительстве для создания непроницаемых завес в почве, например, под плотинами, для предотвращения просачивания воды.

Качество оросительной воды по отношению к щелочной опасности выражается следующими двумя индексами:

  1. Коэффициент адсорбции натрия (SAR, [5] ) Формула для расчета коэффициента адсорбции натрия:
    САР = ⁠[Na + ]/√ [Ca2 + /2 + Mg2 + /2]⁠ = ⁠{Na + /23}/√ {Ca2 + /40 + Mg2 + /24}⁠
    где: [ ] обозначает концентрацию в миллиэквивалентах /литр (кратко мэкв/л), а { } обозначает концентрацию в мг/л. Видно, что Mg ( магний ), как полагают, играет ту же роль, что и Ca ( кальций ). SAR не должен быть намного выше 20 и предпочтительно меньше 10; Когда почва подвергается воздействию воды с определенным значением SAR в течение некоторого времени, значение ESP имеет тенденцию становиться примерно равным значению SAR.
  2. Остаточный карбонат натрия (RSC, мэкв/л): [5] Формула для расчета остаточного карбоната натрия:

    который не должен быть намного больше 1 и желательно меньше 0,5.

    Вышеприведенное выражение распознает присутствие бикарбонатов ( HCO−
    3    ), форма, в которой растворено большинство карбонатов.

При расчете SAR и RSC следует учитывать качество воды в корневой зоне сельскохозяйственных культур, что позволит учесть фактор выщелачивания в поле. [7] Парциальное давление растворенного CO 2 в корневой зоне растений также определяет содержание кальция в растворенной форме в полевой воде. USDA следует скорректированному SAR [8] для расчета солености воды.

Улучшение почвы

Щелочные почвы с твердым CaCO3 можно рекультивировать с помощью травяных культур , органического компоста, отходов волос/перьев, органического мусора, макулатуры, отбракованных лимонов/апельсинов и т. д., обеспечивая включение большого количества подкисляющего материала (неорганического или органического материала ) в почву и увеличивая растворенный Ca в полевой воде за счет высвобождения газа CO2 . [ 9] Глубокая вспашка и включение известковой подпочвы в верхний слой почвы также помогают.

Во многих случаях миграция солей в верхний слой почвы происходит из подземных источников воды, а не из поверхностных источников. [10] Там, где уровень подземных вод высок и земля подвергается сильному солнечному излучению, грунтовые воды просачиваются на поверхность земли из-за капиллярного действия и испаряются, оставляя растворенные соли в верхнем слое почвы. Там, где подземные воды содержат много солей, это приводит к острой проблеме солености. Эту проблему можно уменьшить, применяя мульчу к земле. Также рекомендуется использовать полиэтиленовые дома или затеняющую сетку летом для выращивания овощей/культур, чтобы уменьшить соленость почвы и сохранить воду/влажность почвы. Полиэтиленовые дома фильтруют интенсивное летнее солнечное излучение в тропических странах, чтобы спасти растения от водного стресса и ожогов листьев.

Если качество грунтовых вод не щелочное/соленое, а уровень грунтовых вод высокий, накопление солей в почве можно предотвратить, используя землю в течение всего года для выращивания плантационных деревьев/многолетних культур с помощью подъемного орошения. Когда грунтовые воды используются с требуемым коэффициентом выщелачивания , соли в почве не будут накапливаться.

Также рекомендуется вспахивать поле вскоре после скашивания урожая, чтобы предотвратить миграцию соли в верхний слой почвы и сохранить влажность почвы в интенсивные летние месяцы. Это делается для того, чтобы разрушить капиллярные поры в почве и не допустить попадания воды на поверхность почвы.

Глинистые почвы в районах с высоким годовым количеством осадков (более 100 см) обычно не страдают от высокой щелочности, поскольку сток дождевой воды способен снизить/выщелачивать почвенные соли до комфортного уровня, если следовать надлежащим методам сбора дождевой воды . В некоторых сельскохозяйственных районах для облегчения дренажа и выщелачивания солей используются подповерхностные «плиточные линии». Постоянное капельное орошение приведет к образованию щелочных почв при отсутствии выщелачивания/дренажной воды с поля.

Щелочные почвы также можно рекультивировать, добавляя подкисляющие минералы, такие как пирит или более дешевые квасцы или сульфат алюминия .

В качестве альтернативы можно использовать гипс ( сульфат кальция , CaSO
4· 2 ч.
2O ) также может применяться в качестве источника ионов Ca 2+ для замены натрия в обменном комплексе. [9] Гипс также реагирует с карбонатом натрия, превращаясь в сульфат натрия , который является нейтральной солью и не способствует высокому pH. Должно быть достаточно естественного дренажа под землей, или должна присутствовать искусственная система подземного дренажа, чтобы обеспечить выщелачивание избытка натрия путем просачивания дождевой и /или поливной воды через почвенный профиль .

Хлорид кальция также используется для рекультивации щелочных почв. CaCl 2 преобразует Na 2 CO 3 в NaCl, осаждая CaCO 3 . NaCl вымывается промывочной водой. Нитрат кальция оказывает аналогичное действие, с NaNO 3 в фильтрате. Отработанная кислота (HCl, H 2 SO 4 и т. д.) также может использоваться для снижения избытка Na 2 CO 3 в почве/воде.

Там, где мочевина доступна фермерам по низкой цене, ее также используют в первую очередь для снижения щелочности/засоленности почвы. [11 ] Аммоний ( NH+
4) катион, полученный при гидролизе мочевины , который является сильно сорбирующим катионом , обменивается со слабо сорбирующим катионом Na + из структуры почвы, и Na + высвобождается в воду. Таким образом, щелочные почвы адсорбируют / потребляют больше мочевины по сравнению с другими почвами.

Для полного восстановления почв необходимы непомерно высокие дозы добавок. Поэтому большинство усилий направлено на улучшение только верхнего слоя (скажем, первых 10 см почвы), так как верхний слой наиболее чувствителен к ухудшению структуры почвы . [9] Однако обработку необходимо повторять через несколько (скажем, 5) лет. Деревья/растения следуют гравитропизму . Деревьям с более глубокой корневой системой , которая может быть более 60 метров в глубину в хороших нещелочных почвах, трудно выживать в щелочных почвах .

Важно воздержаться от орошения (грунтовыми или поверхностными водами) водой низкого качества. В виноградарстве предлагается добавлять в воду для орошения природные хелатирующие агенты, такие как винная кислота, для растворения карбонатов кальция и магния в натриевых почвах. [12]

Одним из способов снижения содержания карбоната натрия является выращивание солянок , солянок или растений бариллы . [13] Эти растения изолируют карбонат натрия, который они поглощают из щелочной почвы, в своих тканях. Зола этих растений содержит большое количество карбоната натрия, который может быть извлечен в коммерческих целях и использован вместо карбоната натрия, полученного из поваренной соли, что является очень энергоемким процессом. Таким образом, ухудшение щелочных земель можно остановить путем выращивания растений бариллы, которые могут служить источником пищи, биотопливом и сырьем для кальцинированной соды и поташа и т. д.

Выщелачивание засоленных натриевых почв

Засоленные почвы в основном также являются содовыми (преобладающая соль — хлорид натрия ), но у них не очень высокий pH и плохая скорость инфильтрации. При выщелачивании они обычно не превращаются в (содовые) щелочные почвы, поскольку ионы Na + легко удаляются. Поэтому засоленные (содовые) почвы в основном не нуждаются в применении гипса для их рекультивации. [14]

Рекультивация и утилизация посредством аквакультуры

С 1990-х годов в Китае и других странах проводились исследования и эксперименты по рекультивации и использованию щелочных земель с помощью комбинированных методов ведения сельского хозяйства и аквакультуры, со значительным успехом и опытом. [15] [16] [17] Технология аквакультуры, заключающаяся в использовании внутренних соленых щелочных вод для производства морепродуктов, становится зрелой, охватывая широкий спектр видов морепродуктов, включая креветок, крабов, моллюсков и рыбу, такую ​​как морской окунь и групер. [18] [19]

В последние годы аквакультура (или аквакультура на соляно-щелочных землях ) была рекомендована Министерством сельского хозяйства и сельских дел Китая в качестве успешной модели для преобразования и использования соляно-щелочных земель. [15] [20] [21] [16] В недавнем информационном бюллетене ФАО отметила, что щелочные земли являются одной из областей, в которых существуют инновационные пути и возможности для расширения аквакультуры. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Управление качеством оросительной воды, Университет штата Орегон, США, Получено 04.10.2012.
  2. ^ "Precipitation smoothing, GE Power & Water". Архивировано из оригинала 24 января 2013 г. Получено 11 октября 2012 г.
  3. ^ J. Keller, A. Keller и G. Davids. "River basin development phases and impacts of closure" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 г. . Получено 25 августа 2012 г. .
  4. ^ "Руководство по мокрым градирням для твердых частиц, Environment Canada". 25 ноября 2008 г. Получено 29.01.2013 .
  5. ^ abc US Salinity Lab Handbook 60
  6. ^ ab GH Bolt (ред.), 1981. Химия почвы: А. основные элементы. Том 5а, Elsevier, Амстердам, Нидерланды
  7. ^ "Глава 11: Качество воды". Справочник по управлению соленостью (Отчет). Правительство Квинсленда. 19 декабря 2013 г. стр. 85.
  8. ^ Lesch SM и SuarezD. L. "Краткая заметка о расчете скорректированного индекса SAR". Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 года . Получено 5 октября 2012 года .
  9. ^ abc Chhabra, R. 1996. Засоленность почвы и качество воды. 284 стр. Oxford & IBH Publishing Co. Pvt. Ltd., Нью-Дели (южноазиатское издание) и AA Balkema Uitgevers BC, Роттердам (издание в другом месте). ISBN 81-204-1049-1 . 
  10. ^ "Оценка риска засоления для региона Квинсленд Мюррей-Дарлинг (см. приложение 2), Департамент охраны окружающей среды и управления ресурсами Квинсленда" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2013-04-10 . Получено 29 октября 2012 .
  11. ^ IP Abrol, JSP Yadav и FI Massoud. "Salt-Affected Soils and their Management, refer para 4.7" . Получено 23 декабря 2012 г.
  12. ^ Эшворт, Дж. 2007. Влияние хелатирующих агентов на натриевость почвы. Загрязнение почвы и осадочных пород 16: 301-312.
  13. ^ Фарук Ахмад. "Выращивание травы Карнал/Каллар на солонцовых щелочных почвах в Пакистане" (PDF) . Получено 22 января 2013 г.
  14. ^ Исследование случая Чакупе
  15. ^ ab "科技"拯救"荒滩，向盐碱地要粮食".光明网. 29 июня 2023 г. Проверено 20 января 2024 г.
  16. ^ ab "Прудовая аквакультура на заболоченных солено-щелочных землях". Springer . 2023-04-05.
  17. ^ «Текущее состояние и стратегия развития солено-щелочного рыболовства Китая». Стратегическое исследование CAE (на китайском языке). 2016. doi :10.15302/J-SSCAE-2016.03.012. ISSN  1009-1742. Wikidata  Q124547052.
  18. ^ 王春琳 (26 сентября 2023 г.). «盐碱地养海鲜让不毛之地勃发多样生机» . Проверено 14 февраля 2024 г.
  19. ^ "海鲜返销沿海省市 新疆何以成中国的"大漠渔乡"" . Служба новостей Китая . 04.12.2023 . Проверено 16 февраля 2024 г.
  20. ^ " 关于推介2022年盐碱地水产养殖典型案例的通知" . 14 февраля 2023 г. Проверено 16 января 2024 г.
  21. ^ "Китай: Использование водных ресурсов в солончаково-щелочных землях для сельского хозяйства и рыболовства". tridge.com . 2021-12-18 . Получено 2024-01-21 .
  22. ^ "FAO Aquaculture News, июнь 2023" (PDF) . FAO . 2023-06-01 . Получено 2024-01-21 .