Kontrola salinity půdy - Soil salinity control

Program SegReg : výtěžek hořčice ( řepky ) a salinita půdy

Kontrola slanosti půdy se týká řízení problému slanosti půdy a rekultivace zasolené zemědělské půdy.

Cílem kontroly zasolování půd, je, aby se zabránilo degradaci půdy podle zasolení a kultivovat již slané (fyziologický roztok) půdy. Rekultivace půdy se také nazývá zlepšení půdy, rehabilitace, sanace, rekuperace nebo meliorace.

Primární člověkem způsobenou salinizací je zavlažování . Říční nebo podzemní voda používaná při zavlažování obsahuje soli, které zůstávají v půdě i po odpaření vody .

Primární metodou kontroly slanosti půdy je nechat 10–20% závlahové vody vyluhovat půdu, která bude odváděna a vypouštěna vhodným drenážním systémem . Koncentrace soli v drenážní vodě je obvykle 5 až 10krát vyšší než v závlahové vodě, takže export soli odpovídá dovozu soli a nebude se hromadit.

Problém slanosti půdy

Slané (slané) půdy jsou půdy, které mají vysoký obsah soli . Převládající solí je obvykle chlorid sodný (NaCl, „kuchyňská sůl“). Solné půdy jsou tedy také sodné půdy, ale mohou existovat sodné půdy, které nejsou slané, ale zásadité .

Světová degradace soli v půdě

Tato škoda je v průměru 2 000 hektarů zavlažované půdy ve vyprahlých a polosuchých oblastech denně po více než 20 let v 75 zemích (každý týden svět ztrácí plochu větší než Manhattan) ... Aby uživil předpokládaných devět miliard lidí na světě do roku 2050, a protože je k dispozici jen málo nových produktivních pozemků, jde o případ všech pozemků potřebných na palubě.- hlavní autor Manzoor Qadir, zástupce ředitele pro vodu a lidský rozvoj z kanadského Institutu pro vodu, životní prostředí a zdraví UN University v Kanadě

Podle studie Univerzity OSN je postiženo asi 62 milionů hektarů (240 tisíc čtverečních mil; 150 milionů akrů), což představuje 20% světových zavlažovaných zemí, a to ze 45 milionů ha (170 tisíc čtverečních mil; 110 milionů akrů) v počátku 90. let minulého století. V Indogangetické nížině , kde žije více než 10%světové populace, mohou být ztráty na výnosech pšenice , rýže , cukrové třtiny a bavlny pěstované na půdách zasažených solí 40%, 45%, 48%, respektive 63%. .

Slané půdy jsou společný rys a ekologickým problémem v zavlažovaných pozemků v suchých a polosuchých oblastech, což má za následek špatnou nebo málo rostlinné výroby. Problémy jsou často spojeny s vysokými hladinami podzemní vody , způsobenými nedostatkem přirozené podpovrchové drenáže do podzemí. Špatná podpovrchová drenáž může být způsobena nedostatečnou přepravní kapacitou vodonosné vrstvy nebo tím, že voda nemůže z vodonosné vrstvy opustit, například pokud se vodonosná vrstva nachází v topografické depresi.

Celosvětově je hlavním faktorem rozvoje solných půd nedostatek srážek. Většina přirozeně solných půd se nachází v (polo) suchých oblastech a podnebí Země.

Primární příčina

Zavlažovaná fyziologická půda se špatným porostem

Primární příčinou salinizace způsobené člověkem je sůl přiváděná se závlahovou vodou. Veškerá zavlažovací voda získaná z řek nebo podzemních vod, jakkoli „sladká“, obsahuje soli, které zůstávají v půdě i po odpaření vody.

Například za předpokladu zavlažovací vody s nízkou koncentrací soli 0,3 g/l (což odpovídá 0,3 kg/m³, což odpovídá elektrické vodivosti asi 0,5 FdS/m) a skromné ​​roční dodávky závlahové vody 10 000 m³/ha (téměř 3 mm/den) přináší 3 000 kg soli/ha ročně. Při absenci dostatečné přirozené drenáže (jako v podmáčených půdách) a bez řádného programu loužení a drenáže k odstraňování solí by to vedlo k vysoké salinitě půdy a dlouhodobému snížení výnosů plodin .

Velká část vody používané při zavlažování má vyšší obsah solí než v tomto příkladu, což je umocněno skutečností, že mnoho projektů zavlažování využívá mnohem větší roční dodávku vody. Cukrová třtina například potřebuje asi 20 000 m 3 /ha vody ročně. V důsledku toho zavlažované oblasti často přijímají více než 3 000 kg/ha soli ročně a některé přijímají až 10 000 kg/ha/rok.

Sekundární příčina

Sekundární příčinou zasolení je podmáčení v zavlažované zemi. Zavlažování způsobuje změny přirozené vodní bilance zavlažovaných zemí. Velké množství vody v zavlažovacích projektech rostliny nespotřebovávají a musí někam odejít. V zavlažovacích projektech není možné dosáhnout 100% účinnosti zavlažování, kde veškerou závlahovou vodu spotřebovávají rostliny. Maximální dosažitelná účinnost zavlažování je asi 70%, ale obvykle je menší než 60%. To znamená, že minimálně 30%, ale obvykle více než 40% vody pro zavlažování se neodpaří a musí se někam dostat.

Většina vody ztratil tímto způsobem je uložen v podzemí, která může změnit původní hydrologie z místních zvodní značně. Mnoho zvodněných vrstev nedokáže absorbovat a transportovat tato množství vody, a tak hladina vody stoupá, což vede k podmáčení.

Zamokření způsobuje tři problémy:

  • Hladina mělké vody a nedostatek okysličení kořenové zóny snižuje výnos většiny plodin
  • To vede k akumulaci solí přiváděných se závlahovou vodou, protože je blokován jejich odstraňování přes vodonosnou vrstvu
  • S vzhůru prosakování z podzemních vod více soli uvedou do půdy a salination zhoršuje

Podmínky zvodnělé vody v zavlažované zemi a proudění podzemní vody mají důležitou roli při zasolení půdy, jak je znázorněno zde:

Oblast zasažené solí

Salinizace zemědělské půdy obvykle ovlivňuje značnou oblast zavlažovacích projektů, řádově 20 až 30%. Když je opuštěno zemědělství na takovém zlomku země, je dosaženo nové rovnováhy soli a vody, je dosaženo nové rovnováhy a situace se stabilizuje.

Jen v Indii došlo k vážnému zasolení tisíců kilometrů čtverečních. Čína a Pákistán příliš nezaostávají (Čína má snad ještě více půdy zasažené solí než Indie). Regionální rozložení 3 230 000 km² solné půdy po celém světě ukazuje následující tabulka odvozená z půdní mapy světa FAO/UNESCO.

Kraj Rozloha (10 6 ha)
Austrálie 84,7
Afrika 69,5
Latinská Amerika 59,4
Blízký a Střední východ 53,1
Evropa 20.7
Asie a Dálný východ 19.5
Severní Amerika 16.0
Program CumFreq : prostorová variace slanosti půdy

Prostorová variace

Ačkoli principy procesů salinizace jsou poměrně snadno pochopitelné, je obtížnější vysvětlit, proč určité části země trpí problémy a jiné ne, nebo přesně předpovědět, která část země se stane obětí. Hlavním důvodem je kolísání přírodních podmínek v čase a prostoru, obvykle nerovnoměrné rozložení závlahové vody a sezónní nebo roční změny zemědělských postupů . Pouze v zemích se zvlněnou topografií je předpověď jednoduchá: Depresivní oblasti degradují nejvíce.

Při vysvětlování nebo předvídání rozsahu a závažnosti problémů může být nápomocná příprava bilance soli a vody pro rozlišitelné podoblasti v projektu zavlažování nebo použití modelů agro-hydro-salinity.

Diagnóza

Plodina kukuřice (kukuřice) v Egyptě má toleranci soli na ECe = 5,5 dS/m, po jejímž překročení klesá výnos
Plodina rýže v Egyptě má podobnou toleranci soli jako kukuřice.

Měření

Salinita půdy se měří jako koncentrace soli v půdním roztoku v hodinách g/l nebo elektrické vodivosti (EC) v dS/m . Vztah mezi těmito dvěma jednotkami je asi 5/3: yg/l => 5y/3 dS/m. Mořská voda může mít koncentraci soli 30 g/l (3%) a EC 50 dS/m.

Standard pro stanovení slanosti půdy je z extraktu nasycené pasty z půdy a EC se poté zapíše jako ECe. Extrakt se získá centrifugací . Salinitu lze snadněji měřit bez centrifugace ve směsi 2: 1 nebo 5: 1 voda: půda (v přepočtu na g vody na g suché půdy) než v nasycené pastě. Vztah mezi ECe a EC 2: 1 je asi 4, tedy: ECe = 4 EC 1: 2 .

Klasifikace

Půdy jsou považovány za slané, pokud ECe> 4. Když 4 <ECe <8, půda se nazývá slaná, když 8 <ECe <16 se nazývá (mírně) fyziologická, a když ECe> 16 silně fyziologická.

Tolerance plodin

Citlivé plodiny ztrácejí na síle již v mírně slaných půdách, většina plodin je negativně ovlivněna (středně) slanými půdami a v silně slaných půdách se daří pouze plodinám odolným vůči salinitě. University of Wyoming a vláda Alberty hlásí údaje o toleranci rostlin vůči soli.

Zásady kontroly salinity

Drenáž je primární metodou kontroly slanosti půdy. Systém by měl umožnit vypuštění a vypuštění malé části závlahové vody (asi 10 až 20 procent, drenážní nebo vyluhovací frakce) ze zavlažovacího projektu.

V zavlažovaných oblastech, kde je salinita stabilní, je koncentrace soli v drenážní vodě obvykle 5 až 10krát vyšší než v závlahové vodě. Export soli odpovídá importu soli a sůl se nebude hromadit.

Při regeneraci již zasolených půd bude koncentrace soli v drenážní vodě zpočátku mnohem vyšší než v závlahové vodě (například 50krát vyšší). Export soli výrazně převýší dovoz soli, takže při stejné drenážní frakci dochází k rychlé odsolování. Po jednom nebo dvou letech se slanost půdy natolik sníží, že slanost drenážní vody klesne na normální hodnotu a dosáhne se nové, příznivé rovnováhy.

V oblastech s výrazným obdobím sucha a deště může být drenážní systém provozován pouze v období dešťů a během období sucha uzavřen. Tato metoda kontrolované nebo kontrolované drenáže šetří závlahovou vodu.

Vypouštění slané drenážní vody může představovat environmentální problémy pro navazující oblasti. Je třeba velmi pečlivě zvážit nebezpečí pro životní prostředí a v případě potřeby provést zmírňující opatření. Je -li to možné, musí být drenáž omezena pouze na období dešťů, kdy slaná voda způsobuje nejmenší škody.

Odvodňovací systémy

Parametry horizontálního drenážního systému
Parametry svislého drenážního systému

Odvodnění půdy pro kontrolu salinity půdy se obvykle provádí pomocí horizontálního drenážního systému (obrázek vlevo), ale používají se také vertikální systémy (obrázek vpravo).

Drenážní systém určený k evakuaci slané vody také snižuje hladinu podzemní vody . Aby se snížily náklady na systém, musí být snížení sníženo na minimum. Nejvyšší přípustná hladina podzemní vody (nebo nejmenší přípustná hloubka) závisí na zavlažovacích a zemědělských postupech a druhu plodin.

V mnoha případech je sezónní průměrná hloubka podzemní vody 0,6 až 0,8 m dostatečně hluboká. To znamená, že hladina podzemní vody může být příležitostně menší než 0,6 m (řekněme 0,2 m těsně po zavlažování nebo dešťové bouři). To automaticky znamená, že při jiných příležitostech bude hladina spodní vody hlubší než 0,8 m (řekněme 1,2 m). Kolísání hladiny podzemní vody napomáhá dýchací funkci půdy a podporuje vylučování oxidu uhličitého (CO 2 ) produkovaného kořeny rostlin a vdechování čerstvého kyslíku (O 2 ).

Vytvoření nepříliš hluboké hladiny podzemní vody nabízí další výhodu v tom, že se brání nadměrnému zavlažování polí, protože výnos plodiny by byl negativně ovlivněn výsledným zvýšeným hladinou podzemní vody a zavlažovací voda může být ušetřena.

Výše uvedená prohlášení o optimální hloubce hladiny podzemní vody jsou velmi obecná, protože v některých případech může být požadovaná hladina podzemní vody ještě mělčí, než je uvedeno (například v rýžových polích), zatímco v jiných případech musí být výrazně hlubší (například v některých sadech ). Stanovení optimální hloubky hladiny podzemní vody je v oblasti kritérií zemědělské drenáže .

Vyluhování půdy

Faktory vodní bilance v půdě

Vadose zóna z půdy pod povrch půdy a watertable podléhá čtyř hlavních hydrologických přítokové a odtokové faktory:

V ustáleném stavu (tj. Množství vody uložené v nenasycené zóně se dlouhodobě nemění) vodní bilance nenasycené zóny zní: Přítok = Odtok, tedy:

  • Inf + Cap = Evap + Perc nebo:
  • Irr + Rain + Cap = Evap + Perc

a rovnováha soli je

  • Irr.Ci + Cap.Cc = Evap.Fc.Ce + Perc.Cp + Ss

kde Ci je koncentrace soli v závlahové vodě, Cc je koncentrace soli v kapilárním vzestupu, která se rovná koncentraci soli v horní části útvaru podzemní vody, Fc je podíl celkového odpařování transponovaného rostlinami, Ce je koncentrace soli absorbované kořeny rostlin, Cp je koncentrace soli perkolační vody a Ss je nárůst skladování soli v nenasycené půdě. To předpokládá, že srážky neobsahují žádné soli. Pouze podél pobřeží to nemusí být pravda. Dále se předpokládá, že nedochází k žádnému odtoku ani povrchové drenáži.
Množství odstraněné rostlinami (Evap.Fc.Ce) je obvykle zanedbatelně malé: Evap.Fc.Ce = 0

Křivky loužení, kalibrace účinnosti loužení

Koncentraci soli Cp lze brát jako součást koncentrace soli v půdě v nenasycené zóně (Cu), přičemž platí: Cp = Le.Cu, kde Le je účinnost loužení . Účinnost loužení je často v řádu 0,7 až 0,8, ale u špatně strukturovaných , těžkých jílovitých půd to může být méně. V poldru Leziria Grande v deltě řeky Tagus v Portugalsku bylo zjištěno, že účinnost loužení byla pouze 0,15.
Za předpokladu, že se chceme vyhnout slanosti půdy, abychom zvýšili a udrželi slanost půdy Cu na požadované úrovni Cd, máme:
Ss = 0, Cu = Cd a Cp = Le.Cd. Saldo soli lze tedy zjednodušit na:

  • Perc.Le.Cd = Irr.Ci + Cap.Cc

Nastavením množství perkolační vody potřebné pro splnění této rovnováhy solí na Lr ( požadavek na vyluhování ) bylo zjištěno, že:

  • Lr = (Irr.Ci + Cap.Cc) / Le.Cd.

Nahrazením zde Irr = Evap + Perc-Rain-Cap a přeuspořádání dává:

  • Lr = [(Evap − Rain). Ci + Cap (Cc − Ci)] / (Le.Cd - Ci)

Díky tomu lze vypočítat také požadavky na zavlažování a odvodňování pro regulaci salinity.
Při zavlažovacích projektech v (polo) suchých zónách a podnebí je důležité zkontrolovat požadavek na vyluhování, přičemž je třeba vzít v úvahu účinnost zavlažování pole (udávající podíl závlahové vody prosakující do podzemí).
Požadovaná úroveň slanosti půdy Cd závisí na toleranci plodiny vůči soli. The University of Wyoming , USA, and the Government of Alberta , Canada, report data tolerance tolerance.

Oříznutí pásu: alternativa

Hydrologické principy ořezávání pásů ke kontrole hloubky hladiny podzemní vody a salinity půdy

V zavlažovaných zemích s omezenými vodními zdroji, které trpí drenáží (vysoký vodní stav) a problémy se slaností půdy, se pásové ořezávání někdy praktikuje s pásy půdy, kde se zavlažují všechny ostatní pásy, zatímco pásy mezi nimi zůstávají trvale ladem .

Díky aplikaci vody v zavlažovaných pásech mají vyšší zalévání, které indukuje proudění podzemní vody do nezavlažovaných pásů. Tento tok funguje jako podpovrchová drenáž pro zavlažované pásy, přičemž vodní hladina je udržována v nepříliš mělké hloubce, je možné vyluhování půdy a slanost půdy může být regulována na přijatelně nízké úrovni.

V nezavlažovaných (obětních) pásech je půda suchá a podzemní voda vystupuje kapilárním vzestupem a odpařuje se a zanechává za sebou soli, takže zde půda zasoluje. Přesto mohou mít určité využití pro hospodářská zvířata , setí travin nebo plevele odolných vůči slanosti . Kromě toho lze vysazovat užitečné stromy odolné vůči soli, jako je Casuarina , Eucalyptus nebo Atriplex , přičemž je třeba mít na paměti, že stromy mají hluboké kořenové systémy a slanost vlhkého podloží je menší než ornice . Tímto způsobem lze ovládat erozi větru . Nezavlažované proužky lze také použít pro sběr soli .

Modely slanosti půdy

Součásti SaltMod

Většina počítačových modelů dostupných pro transport vody a rozpuštěných látek v půdě (např. SWAP, DrainMod-S, UnSatChem a Hydrus ) je založena na Richardově diferenciální rovnici pro pohyb vody v nenasycené půdě v kombinaci s Fickovou diferenciální konvekcí – difúzí rovnice pro advekci a disperzi solí.

Modely vyžadují zadání charakteristik půdy, jako jsou vztahy mezi proměnlivým obsahem nenasycené půdní vlhkosti , napětím vody, křivkou zadržování vody , nenasycenou hydraulickou vodivostí , disperzivitou a difuzivitou . Tyto vztahy se do značné míry liší od místa k místu a čas od času a není snadné je měřit. Dále je obtížné tyto modely kalibrovat v polních podmínkách farmáře, protože salinita půdy je zde prostorově velmi proměnlivá. Modely používají krátké časové kroky a potřebují alespoň denní, ne -li hodinovou databázi hydrologických jevů. Dohromady to dělá z modelové aplikace na poměrně velký projekt práci týmu specialistů s bohatým vybavením.

K dispozici jsou také jednodušší modely, jako je SaltMod , založené na měsíčních nebo sezónních bilancích vody a půdy a empirické funkci vzestupu kapilár. Jsou užitečné pro dlouhodobé předpovědi slanosti ve vztahu k zavlažovacím a drenážním postupům.

LeachMod, využívající principy SaltMod, pomáhá při analýze loužicích experimentů, ve kterých byla sledována salinita půdy v různých vrstvách kořenové zóny, zatímco model bude optimalizovat hodnotu účinnosti vyluhování každé vrstvy tak, aby bylo dosaženo shody pozorované se simulovanou slaností půdy hodnoty.

Prostorové variace v důsledku variací v topografii lze simulovat a předpovídat pomocí modelů slaných cum podzemních vod , jako je SahysMod .

Viz také

Reference

externí odkazy