Обзор
Гидрофобная почва - это почва, частицы которой отталкивают воду. Слой гидрофобности обычно находится на уровне или на несколько сантиметров ниже поверхности, параллельно профилю почвы. [1] Этот слой может различаться по толщине и количеству и обычно покрыт слоем пепла или сгоревшей почвы.
Формирование и структура
Гидрофобная почва обычно образуется, когда огонь или горячий воздух рассеивают воскообразные соединения, обнаруженные в самом верхнем слое подстилки, состоящем из органических веществ. [2] После того, как соединения диспергируются, они в основном покрывают песчаные частицы почвы у поверхности в верхних слоях почвы, делая почву гидрофобной. Другими производителями гидрофобных покрытий являются загрязнение и промышленные разливы, а также микробная активность почвы. [2] Гидрофобность также можно рассматривать как естественное свойство почвы, которое возникает в результате деградации естественной растительности, такой как эвкалипт, обладающий свойствами природного воска. [3]
Было обнаружено, что в конкретном новозеландском песке это воскообразное липидное покрытие состоит в основном из углеводородов и триглицеридов, которые имеют щелочной pH, наряду с меньшим содержанием кислых длинноцепочечных жирных кислот. [4] Капиллярное проникновение между частицами почвы ограничено гидрофобным покрытием на частицах, что приводит к водоотталкиванию каждой затронутой частицы, поскольку гидрофильная головка липида прикрепляется к частице песка, оставляя гидрофобный хвост, защищающий внешнюю сторону частицы. [2] Это можно увидеть на Рисунке 1 ниже.
Было обнаружено, что другие важные факторы предотвращения попадания воды в почву включают текстуру почвы, микробиологию, шероховатость поверхности почвы, содержание органических веществ в почве, химический состав почвы, кислотность, содержание влаги в почве, тип почвы, минералогию частиц глины и сезонные колебания региона. [5] Текстура почвы играет большую роль в прогнозировании того, может ли почва быть 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 сложнее полностью покрыть частицы ила или глины с большей площадью поверхности, но когда это все же происходит, в результате получается серьезная водоотталкивающая способность почвы. [6] Поскольку органическое вещество почвы в форме растений или микробной биомассы разлагается, физико-химические изменения могут также высвобождать эти гидрофобные соединения в почву. [7] Это, однако, зависит от типа микробной активности, присутствующей в почве, так как это также может препятствовать развитию гидрофобных соединений. [6]
Тест на гидрофобность
Водоотталкивающие свойства почвы почти всегда сначала проверяются с помощью теста на время проникновения капель воды (WDPT) из-за простоты теста. [8] Этот тест выполняется путем регистрации времени, необходимого для проникновения одной капли воды в конкретную почву, что указывает на стабильность репеллентности. [2] Проникновение воды выражается в самопроизвольном попадании воды в почву и коррелирует с углом контакта воды с почвой. Если контактный угол между водой и почвой больше 90º, то почва считается гидрофобной. Также было замечено, что если тестовая капля помещается на гидрофобную почву, на ней быстро образуется кожица в виде частиц, прежде чем она исчезнет. [2]
Результаты WDPT: [9]
Время проникновения капли воды | Классификация |
Менее 5 секунд | Почва не водоотталкивающая |
От 5 секунд до 1 минуты | Почва слегка отталкивающая |
От 1 до 10 минут | Почва водоотталкивающая |
Более 10 минут | Почва сильно отталкивает |
Таблица 1: Характеристика степени гидрофобности почв на основе теста на проникновение капель воды.
Другой метод определения водоотталкивающих свойств почвы - это тест молярности капли 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 времени не происходит смачивания, водный раствор этанола с более низким поверхностным натяжением затем помещается на другой участок образца. Результаты теста MED зависят от молярности раствора этанола, капли которого абсорбируются за отведенные 10 секунд. [10] Классификация водоотталкивающих свойств почвы по результатам этого теста может быть проведена с использованием индекса MED, где неводоотталкивающая почва имеет индекс меньше или равный 1, а сильно водоотталкивающая почва имеет индекс больше или равна 2.2. [8] Индекс MED, поверхностное натяжение 90º, молярность этанола и объемный процент коррелируют и могут быть преобразованы друг в друга. [8] В этом испытании значение поверхностного натяжения жидкость-воздух раствора этанола, которое абсорбируется в течение этого периода времени, используется как девяносто градусов поверхностного натяжения почвы. Давление воды на входе, связанное с исследуемой почвой, является еще одним показателем скорости инфильтрации, поскольку оно связано со степенью водоотталкивающих свойств и размером пор почвы. [8]
Влияние на сельское хозяйство и экосистемы
Гидрофобные почвы и их отвращение к воде имеют последствия для водообеспеченности растений, доступных для растений питательных веществ, гидрологии и геоморфологии пострадавшего района. [5] За счет уменьшения скорости инфильтрации время образования стока сокращается и приводит к увеличению стока воды на сушу во время осадков или орошения. Большой сток увеличивает эрозию, вызывает неравномерное увлажнение почвы, ускоряет вымывание питательных веществ, снижая плодородие почвы, создает различные пути потока в регионе и увеличивает риск загрязнения почв. [5]
Дренаж питательных веществ происходит в более слабых отталкивающих участках гидрофобной почвы, где вода предпочтительно стекает в почву. Поскольку вода не может стекать в более гидрофобные области, вода находит пути преимущественного потока, где она может проникать глубже в профиль почвы. Если орошение или выпадение осадков является значительным, вода потенциально может течь ниже корневой зоны, делая ее недоступной для любых растений и часто унося с собой удобрения и питательные вещества. Это дополнительно приводит к неравномерному распределению питательных веществ и применяемых химикатов, что приводит к появлению пятнистой растительности. [11]
В сельскохозяйственных условиях гидрофобная почва сильно ограничивает урожайность сельскохозяйственных культур. Например, в Австралии были зарегистрированы отчеты о потерях до 80% продукции из-за водоотталкивающих свойств почвы. [6] Это связано с низкой скоростью прорастания семян в почве, а также с низким уровнем доступной воды для растений. [3]
Расположение и внешний вид гидрофобных почв
Гидрофобные почвы обнаружены на всех континентах, кроме Антарктиды. [5] Это происходит в засушливых регионах США, на юге Австралии и в Средиземноморском бассейне, а также во влажных регионах, включая Швецию, Нидерланды, Британскую Колумбию и Колумбию. [6] Хотя он в основном проявляется в почвах с крупнозернистой структурой, таких как почвы с преобладанием песка, он поражает почвы всех типов почв и был зарегистрирован в лесах, пастбищах, сельскохозяйственных угодьях и кустарниках. [6] Как правило, степень гидрофобности более высока в почвах бобово-травяных пастбищ по сравнению с обработанными сельскохозяйственными полями. [3]
Гидрофобная обработка почвы
Один из методов борьбы с водоотталкивающими почвами - это глинирование. Это делается путем добавления в почву глинистых материалов, благодаря чему общая текстура почвы имеет меньшую площадь поверхности. Установлено, что добавление глины на гидрофобное поле ячменя увеличивало урожайность с 1,7 до 3,4 т / га, а на поле люпина увеличивало урожайность на 1 т / га в течение 2 лет. [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, в то время как фульвокислота растворима во всех диапазонах pH. Обе резидентные кислоты обладают свойством, которое позволяет им снижать поверхностное натяжение воды в растворе. При увеличении pH почвы способность естественных фульвокислоты и гуминовой кислоты увеличивать инфильтрацию в гидрофобных почвах. Напротив, сообщалось, что почвы с дефицитом флювиновой кислоты в растворе будут иметь более сильные водоотталкивающие свойства. [3]
Сельскохозяйственная обработка почвы снижает степень водоотталкивания почвы. Обработка сельскохозяйственных культур снижает содержание углерода в почве за счет перемешивания и минерализации, тем самым снижая вероятность разложения микроорганизмами, которые могут привести к рассеянию гидрофобного покрытия, которое вызывает водоотталкивающие свойства почвы. [3]
Естественно образующиеся отверстия и трещины на участках гидрофобной почвы позволяют воде проникать в поверхность. Они могут образовываться из роющих животных, корневых каналов или макропор из сгнивших корней. [12] Эти макропоры были определены как важные пути в лесных экосистемах, по которым вода проникает в почву, поскольку на их долю приходится примерно 35% приповерхностного объема почвы. [12]
Рекомендации
- ^ Debano, LF (2000-05-29). «Роль огня и нагрева почвы на водоотталкивающие свойства в природных условиях: обзор» . Журнал гидрологии . 231–232: 195–206. DOI : 10.1016 / S0022-1694 (00) 00194-3 . ISSN 0022-1694 .
- ^ а б в г д е Макхейл, Глен; Shirtcliffe, Neil J .; Ньютон, Майкл I .; Пайетт, Ф. Брайан; Дёрр, Стефан Х. (29 января 2007 г.). «Самоорганизация гидрофобных грунтов и сыпучих поверхностей» . Письма по прикладной физике . 90 (5): 054110. DOI : 10,1063 / 1,2435594 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Б с д е е г Харпер, Р.Дж.; McKissock, I .; Gilkes, RJ; Картер, диджей; Блэквелл, PS (29 мая 2000 г.). «Многомерная структура для интерпретации воздействия свойств почвы, управления почвой и землепользования на водоотталкивающие свойства» . Журнал гидрологии . 231–232: 371–383. DOI : 10.1016 / S0022-1694 (00) 00209-2 . ISSN 0022-1694 .
- ^ а б Хорн, диджей; Макинтош, JC (2003), "гидрофобные соединения в песках из Новой Зеландии" , почвы водоотталкивающие , Elsevier, стр 25-35,. Дои : 10.1016 / b978-0-444-51269-7.50005-9 , ISBN 978-0-444-51269-7, получено 2021-04-27
- ^ а б в г Йордан, Антонио; Завала, Лорена М .; Матэ-Солера, Хорхе; Дёрр, Стефан Х. (01.09.2013). «Водоотталкивающие свойства почвы: происхождение, оценка и геоморфологические последствия» . КАТЕНА . 108 : 1–5. DOI : 10.1016 / j.catena.2013.05.005 . ISSN 0341-8162 .
- ^ а б в г д Рутроф, Катинка X .; Хопкинс, Анна JM; Дэнкс, Мелисса; О'Хара, Грэм; Белл, Ричард; Генри, Дэвид; Стэндиш, Рэйчел; Тиббетт, Марк; Ховисон, Джон; Берджесс, Трина; Харпер, Ричард (октябрь 2019 г.). «Переосмысление водоотталкивающих свойств почвы и управления ими» . Экология растений . 220 (10): 977–984. DOI : 10.1007 / s11258-019-00967-4 . ISSN 1385-0237 .
- ^ Kostka, SJ et al. Достижения в понимании и управлении водоотталкивающими почвами. Ирригация Доступно по адресу: https://www.irrigation.org/IA/FileUploads/IA/Resources/TechnicalPapers/2002/AdvancesInUnderstandingAndManagingWaterRepellentSoils.pdf. (Дата обращения: 14 апреля 2021 г.)
- ^ а б в г Letey, J .; Каррильо, MLK; Панг, XP (29 мая 2000 г.). «Подходы к характеристике степени водоотталкивания» . Журнал гидрологии . 231–232: 61–65. DOI : 10.1016 / S0022-1694 (00) 00183-9 . ISSN 0022-1694 .
- ^ Поултер, Р. Водоотталкивающие свойства почвы. Министерство сельского хозяйства и рыболовства Квинсленда Доступно по адресу: https://www.daf.qld.gov.au/__data/assets/pdf_file/0016/53044/Soil-Water-Repellency.pdf. (Дата обращения: 13 апреля 2021 г.)
- ^ а б Рой, Джули Л .; Макгилл, Уильям Б. (февраль 2002 г.). «ОЦЕНКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОЧВЕННОЙ ВОДЫ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ МОЛЯРНОСТИ КАПЕЛЬ ЭТАНОЛА (MED)» . Почвоведение . 167 (2): 83–97. DOI : 10.1097 / 00010694-200202000-00001 . ISSN 0038-075X .
- ^ Проблемы качества почвы: гидрофобность. USDA Доступно по адресу: https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_051899.pdf. (Дата обращения: 27 апреля 2021 г.)
- ^ а б Шексби, РА; Doerr, SH; Уолш, РПД (29 мая 2000 г.). «Эрозионное воздействие гидрофобности почвы: актуальные проблемы и направления будущих исследований» . Журнал гидрологии . 231–232: 178–191. DOI : 10.1016 / S0022-1694 (00) 00193-1 . ISSN 0022-1694 .