Гидрофобная почва – это почва, частицы которой отталкивают воду. Слой гидрофобности обычно находится на поверхности или на несколько сантиметров ниже ее, параллельно профилю почвы. [1] Этот слой может различаться по толщине и количеству и обычно покрыт слоем пепла или сожженной почвы.
Гидрофобная почва чаще всего образуется, когда огонь или горячий воздух рассеивают восковые соединения, обнаруженные в самом верхнем слое подстилки, состоящем из органических веществ. [2] После того, как соединения диспергируются, они в основном покрывают частицы песчаной почвы у поверхности в верхних слоях почвы, делая почву гидрофобной. Другими производителями гидрофобных покрытий являются загрязнения и промышленные разливы, а также почвенная микробная активность. [2] Гидрофобность также можно рассматривать как естественное свойство почвы, возникающее в результате деградации естественной растительности, такой как эвкалипт, обладающий природными свойствами воска. [3]
Было обнаружено, что в конкретном новозеландском песке это воскообразное липидное покрытие состояло в основном из углеводородов и триглицеридов, которые были основными по pH, а также в меньшем количестве кислых длинноцепочечных жирных кислот. [4] Капиллярное проникновение между частицами почвы ограничено гидрофобным покрытием частиц, что приводит к водоотталкиванию каждой частицы, поскольку гидрофильная головка липида прикрепляется к частице песка, оставляя гидрофобный хвост, защищающий внешнюю часть частицы. [2] Это можно увидеть на рисунке 1 ниже.
Было обнаружено, что к другим важным факторам предотвращения попадания влаги в почву относятся текстура почвы, микробиология, шероховатость поверхности почвы, содержание органических веществ в почве, химический состав почвы, кислотность, содержание влаги в почве, тип почвы, минералогия глинистых частиц и сезонные колебания в регионе. [5] Текстура почвы играет большую роль в прогнозировании того, будет ли почва водоотталкивающей, поскольку более крупные зернистые частицы в почве, такие как песок, имеют меньшую площадь поверхности, что делает их более склонными к полному покрытию гидрофобными соединениями. Гораздо труднее полностью покрыть частицу ила или глины большей площади поверхности, но когда это все же происходит, в результате водоотталкивающие свойства почвы становятся серьезными. [6] Поскольку органическое вещество почвы в виде растительной или микробной биомассы разлагается, физико-химические изменения также могут привести к высвобождению этих гидрофобных соединений в почву. [7] Однако это зависит от типа микробной активности, присутствующей в почве, поскольку она также может препятствовать развитию гидрофобных соединений. [6]
Водоотталкивание почвы почти всегда сначала проверяется с помощью теста на время проникновения капель воды (WDPT) из-за простоты теста. [8] Этот тест проводится путем регистрации времени, которое требуется одной капле воды для проникновения в конкретную почву, что указывает на стабильность отталкивающих свойств. [2] Инфильтрация воды выражается как спонтанное попадание воды в почву и коррелирует с углом контакта воды с почвой. Если угол контакта воды с почвой превышает 90°, то почва считается гидрофобной. Также было замечено, что если тестируемую каплю поместить на гидрофобную почву, она быстро образует оболочку из частиц, прежде чем исчезнуть. [2]
Результаты WDPT: [9]
Таблица 1: Характеристика степени гидрофобности почв на основе теста на проникновение капель воды.
Другим методом определения водоотталкивающих свойств почвы является тест на молярность капель этанола (MED). [10] В тесте MED используются растворы этанола с различным поверхностным натяжением для наблюдения за увлажнением почвы в течение 10 секунд. Если в течение указанного периода смачивания не происходит, на другой участок образца наносят водный раствор этанола с более низким поверхностным натяжением. Результаты теста MED зависят от молярности раствора этанола, капли которого впитались за отведенные 10 секунд. [10] Классификацию водоотталкивающих свойств почвы в этом тесте можно выполнить с помощью индекса MED, где неводоотталкивающая почва имеет индекс меньше или равный 1, а сильно водоотталкивающая почва имеет индекс больше или равный. 2.2. [8] Индекс MED, поверхностное натяжение 90°, молярность этанола и объемный процент коррелируют и могут быть преобразованы друг в друга. [8] В этом тесте значение поверхностного натяжения жидкость-воздух раствора этанола, который абсорбируется за этот период времени, используется в качестве поверхностного натяжения почвы под углом девяносто градусов. Давление входа воды, связанное с испытуемой почвой, является еще одним показателем скорости инфильтрации, поскольку оно связано со степенью водоотталкивания и размером пор почвы. [8]
Гидрофобные почвы и их отвращение к воде влияют на доступность воды для растений, питательные вещества, доступные растениям, гидрологию и геоморфологию пораженной территории. [5] За счет снижения скорости инфильтрации время образования стока сокращается и приводит к увеличению наземного стока воды во время осадков или ирригационных мероприятий. Увеличение стока увеличивает эрозию, вызывает неравномерность увлажнения почвы, ускоряет выщелачивание питательных веществ, снижая плодородие почвы, создает различные пути стока в регионе и увеличивает риск загрязнения почв. [5]
Дренаж питательных веществ происходит в местах с более слабыми отталкивающими свойствами в гидрофобной почве, где вода преимущественно стекает в почву. Поскольку вода не может стекать в области с более сильной гидрофобностью, она находит пути преимущественного потока, где она может проникнуть глубже в профиль почвы. Если количество осадков или орошения велико, вода потенциально может течь ниже корневой зоны, делая ее недоступной для каких-либо растений и часто забирая с собой удобрения и питательные вещества. Это дополнительно приводит к неравномерному распределению питательных веществ и применяемых химикатов, что приводит к образованию неоднородной растительности. [11]
В сельском хозяйстве гидрофобная почва является серьезным фактором, ограничивающим урожайность сельскохозяйственных культур. Например, в Австралии были задокументированы сообщения о потерях до 80% производства из-за водоотталкивающих свойств почвы. [6] Это связано с низкими показателями прорастания семян в почвах, а также с низким уровнем доступной растениям воды. [3]
Гидрофобные почвы обнаружены на всех континентах, кроме Антарктиды. [5] Он встречается в засушливых регионах США, южной Австралии и Средиземноморского бассейна, а также во влажных регионах, включая Швецию, Нидерланды, Британскую Колумбию и Колумбию. [6] Хотя он в основном появляется в почвах с грубой текстурой, таких как почвы с преобладанием песка, он поражает почвы всех различных типов почв и встречается в лесах, пастбищах, сельскохозяйственных участках и кустарниках. [6] В целом степень гидрофобности более выражена в почвах бобово-злаковых пастбищ по сравнению с почвами возделываемых сельскохозяйственных полей. [3]
Одним из методов борьбы с водоотталкивающими почвами является глинообразование. Это достигается путем добавления в почву глинистых материалов, в результате чего общая текстура почвы имеет меньшую площадь поверхности. Установлено, что внесение глины на гидрофобное поле ячменя увеличило урожайность культуры с 1,7 до 3,4 т/га, а на поле люпина - на 1 т/га за 2 года. [3] Известкование — еще один метод снижения водоотталкивающих свойств почвы. [3] Процесс известкования заключается в добавлении карбоната кальция для повышения pH почвы. Гуминовая кислота растворима в воде только при pH выше 6,5, тогда как фульвокислота растворима во всех диапазонах pH. Обе резидентные кислоты обладают свойством, которое позволяет им снижать поверхностное натяжение воды в растворе. При повышении pH почвы увеличивается способность встречающихся в природе фульвокислот и гуминовых кислот увеличивать инфильтрацию в гидрофобных почвах. Напротив, сообщалось, что почвы с дефицитом флювовой кислоты в растворе будут иметь более сильные водоотталкивающие свойства. [3]
Агроприем обработки почвы снижает степень водоотталкивания почвы. Обработка полей сельскохозяйственных культур снижает содержание углерода в почве за счет перемешивания и минерализации, тем самым снижая вероятность разложения микроорганизмами, что может привести к рассеиванию гидрофобного покрытия, вызывающего водоотталкивающие свойства почвы. [3]
Естественно образующиеся отверстия и трещины в гидрофобных участках почвы позволяют воде проникать на поверхность. Они могут образовываться из нор животных, корневых каналов или макропор гниющих корней. [12] Эти макропоры были идентифицированы как важные пути проникновения воды в почву в лесных экосистемах, поскольку они составляют примерно 35% приповерхностного объема почвы. [12]