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 своими неблагоприятными физико-химическими свойствами обязаны главным образом преобладающему присутствию карбоната натрия , который вызывает набухание почвы [1] и затрудняет ее осветление/осаждение. Свое название они получили от группы элементов щелочных металлов , к которой принадлежит натрий и которые могут вызывать основность . Иногда эти почвы называют еще солонцово -щелочными . Щелочные почвы являются основными , но не все основные почвы являются щелочными .

Причины

Причины засоленности почвы могут быть природными и техногенными:

  1. Естественная причина — присутствие в почве минералов, образующих при выветривании карбонат натрия (Na 2 CO 3 ) и бикарбонат натрия (NaHCO 3 ) .
  2. Угольные котлы/электростанции при использовании угля или бурого угля, богатого известняком , производят золу, содержащую оксид кальция . CaO легко растворяется в воде с образованием гашеной извести Ca(OH) 2 и переносится дождевой водой в реки/поливную воду. В процессе умягчения извести осаждаются ионы Ca 2+ и Mg 2+ / устраняется жесткость воды, а также преобразуются бикарбонаты натрия в речной воде в карбонат натрия. [2] Карбонат натрия (стиральная сода) дополнительно реагирует с оставшимися в воде Ca 2+ и Mg 2+ для удаления/осаждения общей жесткости . Также водорастворимые соли натрия, присутствующие в золе, повышают содержание натрия в воде. В 2011 году мировое потребление угля в мире составило 7,7 миллиардов тонн. [ нужна ссылка ] Таким образом, речная вода очищается от ионов Ca 2+ и Mg 2+ и увеличивается в количестве Na + с помощью угольных котлов. [ нужны разъяснения ]
  3. Многие соли натрия используются в промышленности и быту, такие как карбонат натрия , бикарбонат натрия (пищевая сода), сульфат натрия , гидроксид натрия (каустическая сода), гипохлорит натрия (отбеливающий порошок) и т. д. в огромных количествах. Эти соли в основном производятся из хлорида натрия (поваренной соли). Весь натрий, содержащийся в этих солях, попадает в речные/грунтовые воды в процессе их производства или потребления, повышая соленость воды. Общее мировое потребление хлорида натрия в 2010 году составило 270 миллионов тонн. Это почти равно солевой нагрузке в могучей реке Амазонке . Вклад техногенных натриевых солей составляет около 7% от общей солевой нагрузки всех рек. Проблема содержания солей натрия усугубляется в нижнем течении интенсивно культивируемых 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 поступления искусственных солей натрия на сельскохозяйственные поля/землю находится вблизи мокрых градирен, использующих морскую воду для рассеивания отработанного тепла , образующегося в различных отраслях промышленности, расположенных вблизи морского побережья. Градирни огромной мощности устанавливаются на нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических комплексах, заводах по производству удобрений, химических заводах, атомных и тепловых электростанциях, централизованных системах отопления, вентиляции и кондиционирования и т. д. Дрейф/мелкие капли, выбрасываемые градирнями, содержат около 6% хлорида натрия, который может откладываться. на прилегающих территориях. Эта проблема усугубляется, когда национальные нормы по контролю загрязнения не вводятся или не соблюдаются для минимизации дрейфовых выбросов до лучших промышленных норм для мокрых градирен, работающих на морской воде. [4]
  5. Техногенной причиной является применение при орошении умягченной воды (поверхностных или грунтовых вод), содержащей относительно высокую долю бикарбонатов натрия и меньшую долю кальция и магния. [1]

Сельскохозяйственные проблемы

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

Химия

Щелочность почвы связана с наличием в ней карбоната натрия (Na 2 CO 3 ) или бикарбоната натрия (NaHCO 3 ) [5] либо в результате естественного выветривания частиц почвы, либо в результате орошения и/или наводнения. вода.

Эта соль чрезвычайно растворима, при гидратации диссоциирует на:

На
2СО
3→ 2 На+
+ СО2−
3

Карбонат-анион CO2−
3, является слабым основанием , принимающим протон, поэтому гидролизуется в воде с образованием иона бикарбоната и иона гидроксила :

СО2−
3+ Ч
2О → ОХС−
3+ ОН−

который, в свою очередь, дает угольную кислоту и гидроксил:

ОЗС−
3+ Ч
2О → Ч
2СО
3+ ОН−

См. карбонат, чтобы узнать о равновесии карбонат-бикарбонат-диоксид углерода.

Вышеупомянутые 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 большие количества CO.2−
3, таким образом повышая pH до значений выше 8,5, что превышает максимально достижимый pH, когда равновесие между карбонатом кальция и растворенным диоксидом углерода 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 концентрацию обычно записывают как [H + ]. Гидроксильный ион OH – имеет отрицательный заряд (–), и его концентрация записывается как [OH – ].
  • В чистой воде при 25 °С константа диссоциации воды ( Kw ) равна 10–14 .
    Поскольку K w = [H + ] × [OH – ], то концентрация ионов H 3 O + и OH – равна 10 −7  M (очень малая концентрация).
  • В нейтральной воде pH , являющийся отрицательным десятичным логарифмом концентрации H 3 O + , равен 7. Точно так же pOH также равен 7. Уменьшение pH на каждую единицу указывает на десятикратное увеличение концентрации H 3 O + . Аналогичным образом, увеличение pH на каждую единицу 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 pH 7, а pH 9 — pH 5.
  • Формально концентрации ионов предпочитают выражать через химическую активность , но это практически не влияет на значение pH.
  • Воду с избытком ионов H 3 O + называют кислой ( рН < 7 ), а воду с избытком ионов ОН – – щелочной или, скорее, основной ( рН > 7 ). Влажность почвы с рН < 4 называют очень кислой, а с рН > 10 — очень щелочной (основной).

H 2 CO 3 ( угольная кислота ) неустойчива и образует H 2 O (воду) и CO 2 ( углекислый газ, улетучивающийся в атмосферу). Это объясняет остаточную щелочность (вернее основность ) в виде растворимого гидроксида натрия и высокий уровень pH или низкий уровень pH .

Не весь растворенный карбонат натрия подвергается вышеуказанной химической реакции. Оставшийся карбонат натрия и, следовательно, наличие CO2−
3ионов, вызывает осаждение CaCO 3 (который мало растворим) 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, находящимися в почвенной влаге.

Наличие обильного количества ионов Na + в почвенном растворе и осаждение ионов Ca 2+ в виде твердого минерала приводит к тому, что глинистые частицы, имеющие отрицательные электрические заряды вдоль своей поверхности, адсорбируют больше Na + в зоне диффузной адсорбции (ДАЗ, также чаще называемый диффузным двойным слоем (DDL) или двойным электрическим слоем (EDL), см. соответствующий рисунок) [6] и взамен высвобождают ранее адсорбированный Ca 2+ , за счет чего в них увеличивается процентное содержание обменного натрия (ESP). как показано на том же рисунке.

Na + более подвижен и имеет меньший электрический заряд, чем Ca 2+, поэтому толщина ДДЛ увеличивается по мере того, как в ней занято больше ионов натрия. На толщину DDL также влияет общая концентрация ионов во влаге почвы в том смысле, что более высокие концентрации вызывают сокращение зоны DDL.

Глинистые частицы со значительным ЭПС (>16), контактирующие с незасоленной почвенной влагой, имеют расширенную зону ДДЛ и почву набухают ( дисперсность ). [6] Это явление приводит к ухудшению структуры почвы , особенно к образованию корки и уплотнению верхнего слоя. В результате снижается инфильтрационная способность почвы и водообеспеченность почвы, а поверхностное переувлажнение или поверхностный сток увеличиваются. Серьезно страдают всходы и урожайность сельскохозяйственных культур.

Примечание :
  • В засоленных условиях многочисленные ионы почвенного раствора противодействуют набуханию почвы, поэтому засоленные почвы обычно не имеют неблагоприятных физических свойств. Щелочные почвы в принципе не являются засоленными, поскольку проблема с щелочностью тем хуже, чем меньше засоленность.

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 глин имеют большую удельную поверхность ( т.е. площадь поверхности частиц почвы, деленную на их объем) и более высокую катионообменную емкость (ЕКО).

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

Качество оросительной воды в отношении опасности щелочности выражается следующими двумя показателями:

  1. Коэффициент адсорбции натрия (SAR, [5] ). Формула для расчета коэффициента адсорбции натрия:
    САР =[На + ]/√ [Са 2+ /2 + Mg 2+ /2]"="{На + /23}/√ {Ca 2+ /40 + Mg 2+ /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, а лучше меньше 10; Когда почва в течение некоторого времени подвергается воздействию воды с определенным значением SAR, значение ESP имеет тенденцию становиться примерно равным значению SAR.
  2. Остаточный карбонат натрия (RSC, мэкв/л): [5] Формула для расчета остаточного карбоната натрия:

    которое не должно быть намного выше 1 и предпочтительно меньше 0,5.

    Приведенное выше выражение признает наличие бикарбонатов ( HCO−
    3    ), форма, в которой растворено большинство карбонатов.

При расчете SAR и RSC следует учитывать качество воды, присутствующей в корневой зоне сельскохозяйственных культур, с учетом фактора выщелачивания в поле. [7] Парциальное давление растворенного CO 2 в корневой зоне растений также определяет содержание кальция в растворенной форме в полевой воде. Министерство сельского хозяйства США следует скорректированному SAR [8] для расчета содержания натрия в воде.

Улучшение почвы

Щелочные почвы с твердым CaCO 3 можно регенерировать травяными культурами , органическим компостом, отходами волос/перьев, органическим мусором, макулатурой, выброшенными лимонами/апельсинами и т. д., обеспечивая включение в почву большого количества подкисляющих материалов (неорганических или органических материалов ). и повышение содержания растворенного кальция в промысловой воде за счет выделения газообразного CO 2 . [9] Также помогает глубокая вспашка и включение известкового грунта в верхний слой почвы.

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 за счет капиллярного действия и испаряются, оставляя растворенные соли в верхнем слое почвы. Если подземные воды содержат большое количество солей, это приводит к острой проблеме солености. Эту проблему можно решить, если мульчировать землю. Использование многоквартирных домов или затеняющих сеток летом для выращивания овощей/культур также рекомендуется для уменьшения засоления почвы и сохранения воды/влажности почвы. Полидома фильтруют интенсивную летнюю солнечную радиацию в тропических странах, чтобы спасти растения от водного стресса и ожогов листьев.

Если качество грунтовых вод не является щелочным/соленым, а уровень грунтовых вод высок, 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 при необходимом коэффициенте выщелачивания , соли в почве не накапливаются.

Также рекомендуется вспахивать поле вскоре после сбора урожая, чтобы предотвратить миграцию солей в верхний слой почвы и сохранить влажность почвы в жаркие летние месяцы. Это делается для того, чтобы разрушить капиллярные поры в почве и предотвратить попадание 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 уменьшать/выщелачивать почвенные соли до комфортного уровня, если соблюдаются надлежащие методы сбора дождевой воды . В некоторых сельскохозяйственных районах для облегчения дренажа и выщелачивания солей используются подземные «плиточные линии». Непрерывное капельное орошение приведет к образованию солонцеватых почв при отсутствии промывных/дренажных вод с поля.

Также возможно восстановить щелочные почвы, добавив подкисляющие минералы, такие как пирит или более дешевые квасцы или сульфат алюминия .

Альтернативно гипс ( сульфат кальция , CaSO
4· 2 часа
2O ) также можно применять 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 повышению pH. Должно быть достаточно естественного дренажа в землю или же должна присутствовать искусственная подземная дренажная система, чтобы обеспечить выщелачивание избытка натрия путем просачивания дождевой и/или поливной воды через профиль почвы .

Хлорид кальция также используется для рекультивации солонцеватых почв. CaCl 2 превращает Na 2 CO 3 в NaCl с осаждением CaCO 3 . NaCl удаляется выщелачиванием воды. Аналогичный эффект оказывает нитрат кальция с NaNO 3 в фильтрате. Отработанная кислота (HCl, H 2 SO 4 и т. д.) также может быть использована для снижения избытка Na 2 CO 3 в почве/воде.

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

Для полной рекультивации почв необходимы непомерно высокие дозы удобрений. Поэтому большинство усилий направлено на улучшение только верхнего слоя (скажем, первых 10 см почвы), поскольку верхний слой наиболее чувствителен к ухудшению структуры почвы . [9] Однако лечение необходимо повторить через несколько (скажем, 5) лет. Деревья/растения следуют гравитропизму . В щелочных почвах трудно выжить деревьям с более глубокой корневой системой , которая в хороших нещелочных почвах может достигать глубины более 60 метров.

Важно воздерживаться от орошения (грунтовыми или поверхностными водами) водой низкого качества. В виноградарстве было предложено добавлять в поливную воду 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 растений солянки , солянки или бариллы . [13] Эти растения связывают карбонат натрия, который они поглощают из щелочной почвы, в свои ткани. Зола этих растений содержит большое количество карбоната натрия, который можно коммерчески извлечь и использовать вместо карбоната натрия, полученного из поваренной соли, что является очень энергоемким процессом. Таким образом, деградацию солончаков можно остановить путем выращивания растений бариллы, которые могут служить источником пищи, топливом из биомассы, сырьем для производства кальцинированной соды, поташа и т. д.

Выщелачивание засоленных натриевых почв

Засоленные почвы в основном также натриевые (преобладающая соль — хлорид натрия ), но они не имеют ни очень высокого pH , ни плохой скорости инфильтрации. При выщелачивании они обычно не превращаются в (натриевые) щелочные почвы, так как ионы Na + легко удаляются. Поэтому засоленные (натриевые) почвы в большинстве случаев не нуждаются в гипсовых аппликациях для их рекультивации. [14]

Восстановление и использование посредством аквакультуры

С 1990-х годов в Китае и других странах проводились исследования и эксперименты по восстановлению и использованию солончаков с помощью комбинированных методов сельского хозяйства и аквакультуры, со значительным успехом и опытом. [15] [16] [17] Аквакультурная технология использования солено-щелочной воды внутренних водоемов для производства морепродуктов становится зрелой и охватывает широкий спектр видов морепродуктов, включая креветки, крабы, моллюски и рыбу, такую ​​​​как морской окунь и морской окунь. [18] [19]

В последние годы аквакультура (или аквакультура солено-щелочных земель ) была рекомендована Министерством сельского хозяйства и сельских дел Китая как успешная модель преобразования и использования солено-щелочных земель. [15] [20] [21] [16] ФАО отметила в недавнем информационном бюллетене, что солончаковые земли являются одной из областей, где существуют инновационные пути и возможности для расширения аквакультуры. [22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Управление качеством оросительной воды, Университет штата Орегон, США, Проверено 4 октября 2012 г.
  2. ^ «Умягчение осадков, GE Power & Water». Архивировано из оригинала 24 января 2013 года . Проверено 11 октября 2012 г.
  3. ^ Дж. Келлер, А. Келлер и Г. Дэвидс. «Этапы развития речного бассейна и последствия закрытия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 19 октября 2013 года . Проверено 25 августа 2012 г.
  4. ^ «Руководство по мокрым градирням в отношении твердых частиц, Окружающая среда Канады» . 25 ноября 2008 года . Проверено 29 января 2013 г.
  5. ^ abc Справочник лаборатории солености США 60
  6. ^ ab GH Bolt (ред.), 1981. Химия почвы: A. основные элементы. Том 5а, Elsevier, Амстердам, Нидерланды.
  7. ^ «Глава 11: Качество воды» . Справочник по управлению соленостью (Отчет). Правительство Квинсленда. 19 декабря 2013 г. с. 85.
  8. ^ Леш С.М. и СуаресД. Л. «Краткая заметка о расчете скорректированного индекса SAR». Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 года . Проверено 5 октября 2012 г.
  9. ^ abc Чхабра, Р. 1996. Засоленность почвы и качество воды. 284 стр. Oxford & IBH Publishing Co. Pvt. Ltd., Нью-Дели (издание для Южной Азии) 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 окружающей среды и управления ресурсами Квинсленда» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 10 апреля 2013 г. Проверено 29 октября 2012 г.
  11. ^ И.П. Аброл, Дж.С.П. Ядав и Ф.И. Массуд. «Засоленные почвы и обращение с ними, см. пункт 4.7» . Проверено 23 декабря 2012 г.
  12. ^ Эшворт, Дж. 2007. Влияние хелатирующих агентов на натриенность почвы. Загрязнение почвы и отложений 16: 301-312.
  13. ^ Фарук Ахмад. «Выращивание травы Карнал / Каллар на солонцово-щелочных почвах в Пакистане» (PDF) . Проверено 22 января 2013 г.
  14. ^ Тематическое исследование 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 заболоченной солено-щелочной земле». Спрингер . 05.04.2023.
  17. ^ «Текущее состояние и стратегия развития солено-щелочного рыболовства Китая». Стратегическое исследование CAE (на нескольких языках). 2016. doi : 10.15302/J-SSCAE-2016.03.012. ISSN  1009-1742. Викиданные  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 засоленно-щелочных земель для сельского хозяйства и рыболовства». Tridge.com . 18 декабря 2021 г. Проверено 21 января 2024 г.
  22. ^ «Новости ФАО по аквакультуре, июнь 2023 г.» (PDF) . ФАО . 01.06.2023 . Проверено 21 января 2024 г.