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 засоленности почвы могут быть природными и техногенными:
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.
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:
Карбонат-анион CO2−
3, является слабым основанием , принимающим протон, поэтому гидролизуется в воде с образованием иона бикарбоната и иона гидроксила :
который, в свою очередь, дает угольную кислоту и гидроксил:
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.
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.
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.
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).
Качество оросительной воды в отношении опасности щелочности выражается следующими двумя показателями:
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.
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 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 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.
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]
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. [15] [16] 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] [17] [18] [16] ФАО отметила в недавнем информационном бюллетене, что солончаковые земли являются одной из областей, где существуют инновационные пути и возможности для расширения аквакультуры. [19]