Сульфатно-кислые почвы — это естественные почвы, отложения или органические субстраты (например, торф ), которые образуются в условиях заболачивания. Эти почвы содержат сульфидные минералы железа (преимущественно минерал пирит ) и/или продукты их окисления . В ненарушенном состоянии ниже уровня грунтовых вод сульфатно-кислые почвы доброкачественны. Однако если почвы осушены, раскопаны или иным образом подвергаются воздействию воздуха, сульфиды вступают в реакцию с кислородом с образованием серной кислоты . [1]
Выброс этой серной кислоты из почвы может, в свою очередь, привести к высвобождению железа , алюминия и других тяжелых металлов и металлоидов (особенно мышьяка ) в почву. Будучи мобилизованы таким образом, кислота и металлы могут оказывать различные неблагоприятные воздействия: уничтожать растительность, просачиваться и подкислять грунтовые воды [2] [3] и поверхностные водоемы, [4] [5] убивать рыб и другие водные организмы, и разрушение бетонных и стальных конструкций до точки разрушения. [1]
Почвы и отложения, наиболее склонные к превращению в кислые сульфатные почвы, образовались в течение последних 10 000 лет, после последнего крупного повышения уровня моря . Когда уровень моря поднялся и затопил сушу, сульфаты морской воды смешались с наземными отложениями, содержащими оксиды железа и органические вещества. [1] В этих анаэробных условиях литотрофные бактерии, такие как Desulfovibrio desulfuricans, получают кислород для дыхания за счет восстановления сульфат-ионов в морских или грунтовых водах, образуя сероводород. Оно, в свою очередь, реагирует с растворенным двухвалентным железом, образуя очень мелкозернистые и высокореактивные кристаллы фрамбоида сульфидов железа, таких как ( пирит ). [1] В некотором смысле, более высокие температуры являются более благоприятными условиями для этих бактерий, создавая больший потенциал для образования сульфидов железа. Тропические заболоченные среды, такие как мангровые болота или устья рек, могут содержать более высокие уровни пирита, чем те, которые образуются в более умеренном климате. [6]
Пирит стабилен до тех пор, пока не подвергнется воздействию воздуха, после чего пирит быстро окисляется и выделяет серную кислоту. Воздействие кислых сульфатных фильтратов почвы может сохраняться в течение длительного времени и/или достигать пика в зависимости от сезона (после засушливых периодов с первыми дождями). В некоторых районах Австралии кислые сульфатные почвы, осушенные 100 лет назад, до сих пор выделяют кислоту (например, водно-болотные угодья Гиллмана в Южной Австралии). [7]
При осушении почвы, содержащие восстановленные неорганические сульфиды, такие как пирит, могут стать чрезвычайно кислыми ( рН < 4) из-за окисления сульфидов в серную кислоту (H 2 SO 4 ):
Продукт Fe(OH) 3 , гидроксид железа (III) (оранжевый), выпадает в осадок в виде твердого нерастворимого минерала, в котором компонент щелочности иммобилизуется, в то время как кислотность остается активной в серной кислоте . Процесс закисления сопровождается образованием большого количества алюминия (Al 3+ , выделяющегося из глинистых минералов под действием кислотности), губительного для растительности. Другими продуктами химической реакции являются:
Железо может присутствовать в двухвалентной и трехвалентной формах (Fe 2+ , ион двухвалентного железа и Fe 3+ , ион трехвалентного железа соответственно). Форма железа растворима в относительно широком диапазоне значений pH , тогда как форма железа не растворима, за исключением чрезвычайно кислой среды, такой как соляная кислота для удаления ржавчины . Чем больше окисляется почва, тем больше доминируют формы железа. Кислые сульфатные почвы имеют множество цветов: черный, коричневый, сине-серый, красный, оранжевый и желтый. Водородную глину можно улучшить, добавив в нее морскую воду: магний (Mg) и натрий (Na) в морской воде заменяют адсорбированный водород и другие обменные кислотные катионы, такие как алюминий (Al). Однако это может создать дополнительные риски, когда ионы водорода и обменные металлы мобилизуются.
Кислые сульфатные почвы широко распространены в прибрежных регионах, а также локально связаны с пресноводными водно-болотными угодьями и солеными , богатыми сульфатами грунтовыми водами в некоторых сельскохозяйственных районах. В Австралии прибрежные кислые сульфатные почвы занимают, по оценкам, 58 000 км 2 , подстилая прибрежные устья и поймы рек вблизи мест, где проживает большая часть австралийского населения. [9] [10] Нарушение кислотно-сульфатной почвы часто связано с дноуглубительными работами, земляными работами по обезвоживанию во время строительства каналов, жилищного строительства и пристани для яхт. Засухи также могут привести к воздействию сульфатов на почву и ее подкислению. [11]
Нарушающие потенциал кислотно-сульфатные почвы могут оказывать разрушительное воздействие на растительный и рыбный мир, а также на водные экосистемы . Смыв кислого фильтрата в грунтовые и поверхностные воды может вызвать ряд воздействий, в том числе: [12]
Потенциально кислые сульфатные почвы (также называемые кошачьими глинами) часто не обрабатываются, а если и возделываются, то засеваются рисом , чтобы почву можно было поддерживать влажной, предотвращая окисление. Подземный дренаж таких почв обычно не рекомендуется.
При культивировании сульфатно-кислые почвы не могут постоянно оставаться влажными из-за климатических засух и нехватки поливной воды. Поверхностный дренаж может помочь удалить кислотные и токсичные химикаты (образующиеся в засушливые периоды) во время дождливых периодов. В долгосрочной перспективе поверхностный дренаж может помочь рекультивировать кислые сульфатные почвы. [16] Таким образом , коренное население Гвинеи-Бисау сумело освоить почвы, но на это у них ушло много лет тщательного управления и тяжелого труда.
В статье о бережном дренаже земель [17] автор описывает успешное применение подземного дренажа в кислых сульфатных почвах прибрежных польдеров штата Керала, Индия.
Также в Сандербансе , Западная Бенгалия, Индия, кислые сульфатные почвы использовались в сельскохозяйственных целях. [18]
Исследование, проведенное в Южном Калимантане (Индонезия) в условиях пергумидного климата, показало, что кислые сульфатные почвы с широко расположенной подземной дренажной системой дали многообещающие результаты при выращивании горного риса , арахиса и сои . [19] В давние времена местное население уже обосновалось в этой области и могло выращивать различные культуры (в том числе плоды деревьев), используя вырытые вручную стоки, идущие от реки в землю до тех пор, пока не достигали задних болот. Урожайность была скромной, но давала достаточный доход, чтобы обеспечить достойную жизнь.
Рекультивированные сульфатно-кислые почвы имеют хорошо развитую структуру почвы благодаря обилию трехвалентных катионов (главным образом Al +3 ), обладающих очень сильным флокулирующим действием; они хорошо проницаемы, но бесплодны из-за произошедшего выщелачивания .
Во второй половине 20-го века во многих частях мира заболоченные и потенциально кислые сульфатные почвы активно осушались, чтобы сделать их продуктивными для сельского хозяйства . Результаты оказались катастрофическими. [8] Почвы непродуктивны, земли выглядят бесплодными, а вода очень прозрачная (опять же, из-за флокулирующего эффекта Al +3 ), лишенная ила и жизни. Однако почвы могут быть красочными.
Когда кирпичная кладка постоянно влажная, например, в фундаментах, подпорных стенах, парапетах и дымоходах, сульфаты в кирпичах и растворе могут со временем кристаллизоваться и расширяться, вызывая распад раствора и штукатурки. Чтобы свести к минимуму этот эффект, следует использовать специализированную кирпичную кладку с низким содержанием сульфатов. Такое же воздействие на фундаменты зданий оказывают сульфаты кислоты, находящиеся в недрах грунта. Адекватную защиту можно обеспечить с помощью полиэтиленовой пленки для покрытия фундамента или использования стойкого к сульфатам портландцемента . Для определения уровня pH почвы необходимо провести исследование почвы.
Подняв уровень грунтовых вод после нанесения ущерба из-за чрезмерно интенсивного дренажа, можно восстановить почвы. В следующей таблице приведен пример.
Дренаж и урожайность малазийской масличной пальмы на кислых сульфатных почвах (по То Пэн Инь и Пун Ю Чин, 1982 г.)
Урожайность в тоннах свежих плодов с га:
Глубина и интенсивность дренажа были увеличены в 1962 году. Уровень грунтовых вод снова был поднят в 1966 году, чтобы противостоять негативным последствиям.
Во время «тысячелетней засухи» в бассейне Мюррей-Дарлинг в Австралии произошло обнажение кислых сульфатных почв. Для предотвращения дальнейшего закисления были предприняты крупномасштабные инженерные мероприятия, включая строительство дамбы и откачку воды для предотвращения воздействия и закисления озера Альберт. [20] Борьба с подкислением нижних озер также осуществлялась с использованием воздушного дозирования известняка. [5] [21]
Хотя слова «сульфат», «сульфат» и «сульфид» являются стандартными австралийско-английскими вариантами написания, австралийским исследователям рекомендуется принять американо-английское написание этих терминов как в отечественных, так и в международных публикациях, чтобы, среди прочего, их написание соответствовало IUPAC . определения. Таким образом, хотя в австралийской литературе часто встречается слово «сульфатно-кислая почва», сейчас предпочтительным написанием является «сульфатно-кислая почва».
Термин « кислые сульфатные почвы » (АСС) был придуман Рабочей группой по номенклатуре и методам для первого Международного симпозиума по кислым сульфатным почвам (1972, Вагенинген ) для обозначения почв, которые содержат или могут производить серную кислоту в количества, которые вызывают значительные и долговременные изменения в ключевых свойствах почвы. [22] Этот термин постепенно был принят международным научным сообществом ради международной последовательности и сотрудничества. До этого в разных регионах использовались такие разговорные термины, как:
Термин «сульфатнокислая почва» полезен для общего обсуждения, но не отражает нюансов, необходимых для технической классификации почв. Дополнительные термины, такие как « потенциально кислая сульфатная почва» (PASS), « активная кислая сульфатная почва» (AASS) и « постактивная кислая сульфатная почва» (PAASS), помогли исследователям различать следующее:
Поскольку один профиль почвы может содержать PASS, AASS и PAASS на разных глубинах, термин « материал » был добавлен в качестве модификатора (т. е. PASS-материал, AASS-материал и PAASS-материал), чтобы обеспечить более детальное описание сложные почвы. Однако эти термины все еще несколько громоздки и непригодны для технической классификации. Кроме того, «сульфатно-кислые почвы» и их разновидности подразумевают, что сульфатно-кислые почвы представляют собой совершенно другой тип или класс почвы, а не особенность почвы, которая может проявляться при определенных условиях. Следовательно, произошел постепенный отход от этих терминов в пользу более стандартизированных, оперативных определений.
Термины «сульфидный материал» и «серный материал» были впервые придуманы профессором Делвином Фэннингом ( Университет Мэриленда ), профессором Мартином Рабенхорстом (Университет Мэриленда) и профессором Робом Фицпатриком ( Университет Аделаиды ) [25] – и были включены в Австралийскую классификацию почв (ASC) [26] и Всемирную справочную базу (WRB) как диагностические признаки почвы. Например, в рамках ASC серный внеприливный гидрозоль будет относиться к почве, которая насыщена водой в течение 2-3 месяцев в году (т. е. гидрозоль), расположенной во внеприливной зоне и содержащей сернистый материал. Следовательно, кисло-сульфатные почвы можно более технически описать как почвы, содержащие сульфидные и/или серные вещества.
Серный материал относится к почвенному материалу, который имеет pH менее 4 из-за окисления сульфидного материала. [27]
Сульфидный материал относится к «почвенным материалам, содержащим обнаруживаемые неорганические сульфиды (≥0,01% сульфидной серы), которые могут существовать в виде горизонтов или слоев толщиной не менее 30 мм или в виде поверхностных элементов» [28] и далее подразделяются на 3 класса : гипосульфидные , гиперсульфидные и моносульфидные.
Концептуально, гипосульфидные и гиперсульфидные материалы используются для различения сульфидных материалов, которые, соответственно, не будут и не будут испытывать падения pH ниже 4 при воздействии преобладающих окислительных условий. По определению, гипосульфидный материал не превращается в серный материал при окислении.
В отличие от гипосульфидных и гиперсульфидных материалов, моносульфидный материал содержит высокие концентрации обнаруживаемых моносульфидов (≥ 0,01% кислотных летучих сульфидов) (например, грейгита и макинавита ). [28] Обратите внимание, что моносульфидный материал не заменил моносульфидный черный ил (MBO), который теперь считается разновидностью моносульфидного материала. [29]
Термины « сульфидизация » и « сульфидизация » были придуманы для обозначения образования сульфидного и серного материала соответственно. [25] Хотя эти термины не были официально приняты в ASC, их использование поощряется в Австралии. Однако эти термины не следует использовать как синонимы других терминов, которые также относятся к образованию или трансформации сульфидов (например, пиритизация). Аналогично, «сульфидный материал» не следует использовать как синоним подобных терминов, таких как пиритовый/сульфидный осадок, горная порода и реголит, которые можно найти в публикациях по системам Acid Rock . Широкий термин «сульфидная геомедиа» может использоваться для обозначения как сульфидного материала, так и пиритовых/сульфидных отложений, горных пород и реголита; но в Австралии у него нет официального определения, и его не следует использовать вместо «сульфидного материала».
Термин «самонейтрализующиеся» сульфатно-кислые почвы использовался для обозначения сульфидного материала, который не становится кислым при окислении из-за присутствия щелочных материалов (например, морских карбонатов), которые нейтрализуют кислотность, возникающую в результате окисления сульфидного материала.
Использование этого термина не рекомендуется , так как может создаться впечатление, что почва не опасна. Хотя аэробное выветривание гипосульфидного материала не приводит к избыточной кислотности, оно обычно приводит к образованию солевого раствора, содержащего опасные для окружающей среды концентрации металлов и металлоидов. Следовательно, вместо «самонейтрализующейся кислотно-сульфатной почвы» следует использовать «гипосульфидный материал».
За прошедшие годы федеральные правительства и правительства штатов/территорий опубликовали множество технических руководств, карт, баз данных и других форм руководств по выявлению, отбору проб и/или управлению кислыми сульфатными почвами. Национальное руководство по кислым сульфатным почвам: синтез [30] представляет собой краткое изложение имеющихся руководств. Тем, кто не знаком с имеющимися рекомендациями, рекомендуется сначала ознакомиться с этим документом. Обзор также доступен на веб-сайте Содружества по качеству воды в Австралии. [31] Основные общедоступные ресурсы описаны ниже.
Выявление, отбор проб и анализ сульфатно-кислых почв следует проводить в соответствии с:
NEPM по загрязнению территории не относится к кислым сульфатным почвам и здесь не обсуждается.
Национальное руководство по отбору проб и идентификации содержит: исходную информацию о процессах формирования и нарушения кислотно-сульфатных почв, а также воздействии на окружающую среду; минимальные требования к настольной оценке и осмотру объекта; и руководство по отбору проб и полевым испытаниям.
Ключевые особенности национального руководства по лабораторным методам:
Эти руководства не содержат рекомендаций по обращению с кислыми сульфатными почвами. Стратегии управления по конкретным темам см.:
Эти документы являются всеобъемлющими и общедоступными на веб-сайте Water Quality Australia. [31]
Техническое руководство по кислотно-сульфатным почвам Квинсленда: Рекомендации по управлению почвенными ресурсами [38] настоятельно рекомендуется как ученым, так и инженерам, поскольку в нем прекрасно обсуждаются стратегии оценки рисков и управления ими. Стратегии управления, обсуждаемые в руководстве, включают: предотвращение, минимизацию беспокойства, нейтрализацию, гидравлическое разделение, стратегическое перезахоронение/захоронение и накопление запасов.
Для обсуждения аналитических методов рекомендуется использовать документ правительства Квинсленда « Кислотные сульфатные почвы: Руководство по лабораторным методам» [39] . Хотя Национальное руководство является основным авторитетным источником по данному вопросу и охватывает более широкий круг вопросов, в настоящем руководстве содержится больше комментариев по таким аналитическим методам, как SPOCAS.
В книге « Обработка и управление почвами и водой в ландшафтах кислотно-сульфатных почв» [40] представлен обзор стратегий управления сульфатно-кислыми почвами, включая обсуждение управления подземными водами (которое не включено в техническое руководство Квинсленда).
Сульфатно-кислые почвенные системы внутренних территорий Австралии: Отчет об открытом файле CRC LEME 249 [41] [42] (Fitzpatrick and Shand, 2008) представляет собой всестороннее введение в предмет, а также более подробное обсуждение отдельных аспектов, таких как минералогия и токсичность газовые выбросы из кислых сульфатных почв. В отчете также содержится ряд тематических исследований Австралии, демонстрирующих опасность для окружающей среды и здоровья населения, создаваемую кислыми сульфатными почвами, а также то, как с этими опасностями эффективно контролировались или не контролировались.
Учет кислотно-щелочного баланса (ABA), а именно практика количественного определения источников кислотности и щелочности, является важнейшим аспектом управления кислыми сульфатными почвами. Например, ABA используется для расчета количества нейтрализующего агента (например, извести), необходимого для нейтрализации накопленного сульфидного материала, образовавшегося в результате раскопок или дноуглубительных работ.
Стандартная австралийская система ABA [33] описывает три оперативно определяемых пула кислотности (моль H + на тонну сухой почвы).
Потенциальная сульфидная кислотность (PSA) является мерой «окисляемой серы», связанной с восстановленной неорганической серой (RIS) (например, сульфидами железа и элементарной серой), которая может окисляться с образованием серной кислоты.
Титруемая фактическая кислотность (ТАА) — это мера растворимой и обменной кислотности, связанной с органическими кислотами и слабосвязанными ионами Al 3+ и Fe 3+ , которые реагируют с водой с образованием H + (т. е. гидролиз ).
Остаточная кислотность (RA) является мерой труднорастворимых сульфатов, таких как ярозит и швертманнит, которые медленно генерируют кислотность за счет высвобождения и гидролиза Al 3+ и Fe 3+ .
Для расчета чистой кислотности из суммы PSA, TAA и RA вычитается кислотонейтрализующая способность ( ANC) образца почвы . АНК обычно связан с карбонатами и, в меньшей степени, с органическими веществами.
В Австралии чистая кислотность используется в сочетании с текстурой или содержанием глины в образце и весом кислой сульфатной почвы, которую необходимо нарушить (например, выкопать для строительства), чтобы определить, является ли План управления кислотно-сульфатными почвами (ASSMP) требуется как часть установленных законом протоколов управления окружающей средой.
Потенциальная сульфидная кислотность (PSA) является функцией концентрации восстановленной неорганической серы (RIS) в образце почвы. Если бы RIS был единственным пулом серы, присутствующим в образце, PSA можно было бы напрямую оценить по общей концентрации серы. В некоторых случаях это возможно. Однако сульфатные минералы (например, гипс, эпсомит и ярозит) и органические вещества обычно представляют собой дополнительные источники серы в большинстве сульфидных и серных почв. Восстанавливаемая хромом сера (S CR или CRS) точно измеряет RIS без существенного влияния других источников серы. [39] Метод восстановления хрома обобщен в книге «Химические методы почвы» [43] :
Метод восстановления Cr… основан на превращении восстановленной неорганической S в H 2 S горячим кислым раствором CrCl 2 ; выделившийся газ количественно улавливается раствором ацетата Zn в виде твердого ZnS. Затем ZnS обрабатывают HCl для высвобождения H 2 S в раствор, который затем необходимо быстро оттитровать раствором I 2 до конечной точки синего цвета, указанной реакцией I 2 с крахмалом.
Другой распространенный показатель ПСА — перекисно-окисляемая сера (S POS ) — рассчитывается как разница между серой, определенной с помощью перекисного расщепления (S p ), и серой, экстрагированной 1 М раствором KCl (S KCl ).
S KCl представляет собой меру серы, связанной с относительно растворимыми сульфатами (например, гипсом и эпсомитом). S p является мерой серы, связанной как с RIS, так и с органическим веществом. Таким образом, S POS может завышать PSA, если образцы содержат даже относительно небольшие количества органических веществ. Поэтому S CR рекомендуется для образцов, содержащих > 0,06% органического углерода. [32]
Ни S CR, ни S POS не определяют содержание серы, связанной с труднорастворимыми сульфатными минералами, такими как ярозит.
Метод комбинированного анализа кислотности и серы суспензионного пероксидного окисления (SPOCAS) представляет собой набор тестов, используемых для определения чистой кислотности путем измерения: титруемой пероксидной кислотности (TPA) (как меры PSA); Титруемая фактическая кислотность (ТАА); Избыточная способность нейтрализации кислоты (ANC E ); и Остаточная кислоторастворимая сера (S RAS ) или чистая кислоторастворимая сера (S NAS ) (как мера остаточной кислотности). [39]
Поскольку SPOCAS по сути является автономным тестом ABA, он очень полезен и популярен. Однако использование перекисного разложения для TPA может привести к завышению оценки PSA при наличии органических веществ (см. обсуждение S POS ). Поэтому рекомендуется измерять S CR по крайней мере для одного образца на партию образцов, чтобы определить, существует ли существенное расхождение между ПСА, измеренным с помощью S CR и TPA. Кроме того, обратите внимание, что S RAS не позволяет надежно измерить концентрацию ярозита или швертманнита (типичных источников остаточной кислотности); и S NAS обычно составляет только 50-60% ярозита. [44] Следовательно, S NAS следует увеличить вдвое, чтобы получить более точную оценку остаточной кислотности, где ярозит, вероятно, является основным источником остаточной кислотности (что является обычным случаем). Этот расчет может выполняться, а может и не выполняться коммерческими лабораториями до того, как они представят результаты ABA клиенту.
Остаточная кислотность — это очень непокорный резервуар кислотности, который медленно высвобождается и его нелегко нейтрализовать. [45] Таким образом, почвы с высоким содержанием остаточной кислотности могут потребовать особых мер управления для смягчения постепенного подкисления в течение десятков и сотен лет.
Окисление RIS происходит быстро в условиях окружающей среды. Это особенно справедливо для моносульфидов железа, которые имеют большую площадь поверхности, чем дисульфиды железа. [46]
Моносульфидный материал меняет цвет с угольно-черного на светло-коричневый в течение нескольких минут после воздействия воздуха (см. изображения ниже). Следовательно, образцы кислотно-сульфатной почвы следует немедленно охладить до температуры < 4°C, чтобы замедлить окисление; а образцы, содержащие моносульфидный материал, следует немедленно заморозить (например, с помощью переносной морозильной камеры или жидкого азота). [33] Рекомендуется использовать сухой лед, поскольку газообразный диоксид углерода должен еще больше препятствовать окислению. Образцы должны быть проверены на наличие АБК в течение 24 часов после отбора проб. В противном случае следует использовать дополнительные методы консервации (например, замораживание или сушку при температуре > 85°C). [33]
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )