Гидрофобный грунт
Гидрофобный грунт – это грунт, частицы которого 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.
Формирование и структура
[ редактировать ]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 диспергирования соединений они в основном покрывают песчаные частицы 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 затронутой 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] По мере разложения органического вещества почвы в виде растительной или микробной биомассы 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]
Тестирование гидрофобности
[ редактировать ]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 в спонтанном попадании 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, на ней быстро образуется корочка из 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 отталкивает |
| 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.
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, абсорбированного за этот период времени, используется в качестве поверхностного натяжения почвы под углом 90 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]
Влияние на сельское хозяйство и экосистемы
[ редактировать ]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 низкой всхожестью семян в почве, а также с низким уровнем доступной растениям воды. [3]
Расположение и внешний вид гидрофобных грунтов
[ редактировать ]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-травяных пастбищ по сравнению с возделываемыми сельскохозяйственными полями. [3]
Гидрофобное управление почвой
[ редактировать ]Одним из методов борьбы с водоотталкивающими почвами является глинение. 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 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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дебано, LF (29 мая 2000 г.). «Роль огня и нагревания почвы на водоотталкивающие свойства в дикой природе: обзор» . Журнал гидрологии . 231–232 (1–4): 195–206. Бибкод : 2000JHyd..231..195D . дои : 10.1016/S0022-1694(00)00194-3 . ISSN 0022-1694 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Макхейл, Глен; Ширклифф, Нил Дж.; Ньютон, Майкл И.; Пайетт, Ф. Брайан; Дорр, Стефан Х. (29 января 2007 г.). «Самоорганизация гидрофобных грунтов и зернистых поверхностей» . Письма по прикладной физике . 90 (5): 054110. Бибкод : 2007ApPhL..90e4110M . дои : 10.1063/1.2435594 . ISSN 0003-6951 . S2CID 55856070 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Харпер, Р.Дж.; МакКиссок, И.; Гилкс, Р.Дж.; Картер, диджей; Блэквелл, PS (29 мая 2000 г.). «Многомерная основа для интерпретации влияния свойств почвы, управления почвой и землепользования на водоотталкивающие свойства» . Журнал гидрологии . 231–232 (1–4): 371–383. Бибкод : 2000JHyd..231..371H . дои : 10.1016/S0022-1694(00)00209-2 . ISSN 0022-1694 . S2CID 128891936 .
- ^ Jump up to: а б Хорн, диджей; Макинтош, Дж. К. (2003), «Гидрофобные соединения в песках из Новой Зеландии» , Водоотталкивающие свойства почвы , Elsevier, стр. 25–35, doi : 10.1016/b978-0-444-51269-7.50005-9 , ISBN 978-0-444-51269-7 , получено 27 апреля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с д Джордан, Энтони; Завала, Лорена М.; Матайс-Солера, Хорхе; Дорр, Стефан Х. (1 сентября 2013 г.). «Влагоотталкивание почвы: происхождение, оценка и геоморфологические последствия» . ЦЕПЬ . 108 : 1–5. Бибкод : 2013Caten.108....1J . дои : 10.1016/j.catena.2013.05.005 . ISSN 0341-8162 .
- ^ Jump up to: а б с д и Рутроф, Катинка X.; Хопкинс, Анна Дж. М.; Дэнкс, Мелисса; О'Хара, Грэм; Белл, Ричард; Генри, Дэвид; Стэндиш, Рэйчел; Тиббетт, Марк; Хауисон, Джон; Берджесс, Трина; Харпер, Ричард (октябрь 2019 г.). «Переосмысление водоотталкивающих свойств почвы и управление ими» . Экология растений . 220 (10): 977–984. Бибкод : 2019PlEco.220..977R . дои : 10.1007/s11258-019-00967-4 . ISSN 1385-0237 . S2CID 202718051 .
- ^ Костка, SJ и др. Достижения в понимании и управлении водоотталкивающими почвами. Ирригация . Доступно по адресу: https://www.irrigation.org/IA/FileUploads/IA/Resources/TechnicalPapers/2002/AdvancesInUnderstandingAndManagingWaterRepellentSoils.pdf . (Доступ: 14 апреля 2021 г.)
- ^ Jump up to: а б с д Лети, Дж.; Каррильо, МЛК; Панг, XP (29 мая 2000 г.). «Подходы к характеристике степени водоотталкивающих свойств» . Журнал гидрологии . 231–232 (1–4): 61–65. Бибкод : 2000JHyd..231...61L . дои : 10.1016/S0022-1694(00)00183-9 . ISSN 0022-1694 .
- ^ Поултер, Р. Водоотталкивающие свойства почвы. Департамент сельского хозяйства и рыболовства Квинсленда . Доступно по адресу: https://www.daf.qld.gov.au/__data/assets/pdf_file/0016/53044/Soil-Water-Repellency.pdf . (Доступ: 13 апреля 2021 г.)
- ^ Jump up to: а б Рой, Джули Л.; Макгилл, Уильям Б. (февраль 2002 г.). «Оценка водоотталкивающих свойств почвы с использованием теста на молярность капель этанола (Med)» . Почвоведение . 167 (2): 83–97. Бибкод : 2002ПочваС.167...83Р . дои : 10.1097/00010694-200202000-00001 . ISSN 0038-075X . S2CID 96024286 .
- ^ Проблемы с ресурсами качества почвы: гидрофобность. Министерство сельского хозяйства США доступно по адресу: https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/nrcs142p2_051899.pdf . (Доступ: 27 апреля 2021 г.)
- ^ Jump up to: а б Шейксби, РА; Дорр, С.Х.; Уолш, РПД (29 мая 2000 г.). «Эрозионное воздействие гидрофобности почв: текущие проблемы и будущие направления исследований» . Журнал гидрологии . 231–232 (1–4): 178–191. Бибкод : 2000JHyd..231..178S . дои : 10.1016/S0022-1694(00)00193-1 . ISSN 0022-1694 .
