Kwaśna gleba siarczanowa - Acid sulfate soil

Gleby kwaśno-siarczanowe to naturalnie występujące gleby, osady lub podłoża organiczne (np. torf ), które powstają w warunkach podmokłych. Gleby te zawierają minerały siarczku żelaza (głównie jako mineralny piryt ) lub produkty ich utleniania . W niezakłóconym stanie pod lustrem wody gleby kwaśno-siarczanowe są łagodne. Jeśli jednak gleby zostaną osuszone, wykopane lub wystawione na działanie powietrza przez obniżenie poziomu wody, siarczki reagują z tlenem, tworząc kwas siarkowy .

Uwolnienie tego kwasu siarkowego z gleby może z kolei uwalniać w glebie żelazo , glin i inne metale ciężkie i metaloidy (zwłaszcza arsen ). Po zmobilizowaniu w ten sposób kwas i metale mogą powodować szereg negatywnych skutków: zabijanie roślinności, przenikanie i zakwaszanie wód gruntowych i powierzchniowych, zabijanie ryb i innych organizmów wodnych oraz degradację konstrukcji betonowych i stalowych aż do zniszczenia.

Tworzenie

Poldery z glebami kwaśno-siarczanowymi w Gwinei Bissau wzdłuż ramienia morskiego pośród namorzynów

Gleby i osady najbardziej podatne na przekształcenie się w gleby kwaśno-siarczanowe powstały w ciągu ostatnich 10 000 lat, po ostatnim poważnym podniesieniu się poziomu morza . Kiedy poziom morza podniósł się i zalał ląd, siarczan w wodzie morskiej zmieszał się z osadami lądowymi zawierającymi tlenki żelaza i materię organiczną. W tych warunkach beztlenowych bakterie litotroficzne, takie jak Desulfovibrio desulfuricans, uzyskują tlen do oddychania poprzez redukcję jonów siarczanowych w morzu lub wodzie gruntowej, wytwarzając siarkowodór. To z kolei reaguje z rozpuszczonym żelazem żelazawym, tworząc bardzo drobnoziarniste i wysoce reaktywne framboidalne kryształy siarczków żelaza, takich jak ( piryt ). Do pewnego momentu cieplejsze temperatury są korzystniejszymi warunkami dla tych bakterii, stwarzając większy potencjał do tworzenia siarczków żelaza. Tropikalne środowiska podmokłe, takie jak bagna namorzynowe lub ujścia rzek, mogą zawierać wyższy poziom pirytu niż te powstałe w bardziej umiarkowanym klimacie.

Piryt jest stabilny do czasu wystawienia na działanie powietrza, w którym to momencie piryt szybko utlenia się i wytwarza kwas siarkowy. Oddziaływania kwaśnego siarczanowego odcieku z gleby mogą utrzymywać się przez długi czas i/lub szczytować sezonowo (po okresach suchych z pierwszymi deszczami). W niektórych obszarach Australii kwaśne gleby siarczanowe, które zostały osuszone 100 lat temu, nadal uwalniają kwas.

Reakcja chemiczna

Po odsączeniu gleby zawierające piryt (FeS 2 ) (zwane również kocimi glinkami) mogą stać się bardzo kwaśne ( pH < 4) z powodu utleniania pirytu do kwasu siarkowego (H 2 SO 4 ). W najprostszej postaci ta reakcja chemiczna wygląda następująco:

Produkt Fe(OH) 3 , wodorotlenek żelaza(III) (pomarańczowy), wytrąca się jako stały, nierozpuszczalny minerał, przez który składnik alkaliczny jest unieruchomiony, podczas gdy kwasowość pozostaje aktywna w kwasie siarkowym . Procesowi zakwaszania towarzyszy powstawanie dużych ilości glinu (Al 3+ , uwalnianego z minerałów ilastych pod wpływem kwasowości), które są szkodliwe dla roślinności. Inne produkty reakcji chemicznej to:

  1. Siarkowodór (H 2 S), śmierdzący gaz
  2. Siarka (S), żółte ciało stałe
  3. Siarczek żelaza(II) (FeS), czarno-szare/niebieskie ciało stałe
  4. Hematyt (Fe 2 O 3 ), czerwone ciało stałe
  5. getyt ( ), brązowy minerał
  6. Schwertmannit brązowy minerał
  7. Związki siarczanu żelaza (np. jarozyt )
  8. H-Glinka ( glina wodorowa , z dużą frakcją zaadsorbowanych jonów H + , minerał stabilny, ale ubogi w składniki odżywcze)

Żelazo może występować w postaci dwuwartościowej i trójwartościowej (odpowiednio Fe 2+ , jon żelazawy i Fe 3+ , jon żelazowy). Forma żelazna jest rozpuszczalna w stosunkowo szerokim zakresie warunków pH , podczas gdy forma żelazowa nie jest rozpuszczalna z wyjątkiem wyjątkowo kwaśnego środowiska, takiego jak środek do usuwania rdzy kwasem muriastym . Im bardziej utleniona staje się gleba, tym bardziej dominują formy żelazowe. Gleby kwaśno-siarczanowe wykazują szereg kolorów, od czarnego, brązowego, niebiesko-szarego, czerwonego, pomarańczowego i żółtego. Glinkę wodorową można ulepszyć przez dopuszczenie wody morskiej: magnez (Mg) i sód (Na) w wodzie morskiej zastępują zaadsorbowany wodór i inne wymienne kationy kwasowe, takie jak glin (Al). Może to jednak stwarzać dodatkowe ryzyko, gdy jony wodorowe i metale wymienne są mobilizowane.

Rozkład geograficzny

Gleby kwaśno-siarczanowe są szeroko rozpowszechnione w rejonach przybrzeżnych, a także lokalnie związane z terenami podmokłymi słodkowodnymi i słonymi wodami gruntowymi bogatymi w siarczany na niektórych obszarach rolniczych. W Australii przybrzeżne gleby kwaśno-siarczanowe zajmują około 58 000 km 2 , leżące pod przybrzeżnymi estuariami i równinami zalewowymi, w pobliżu których mieszka większość australijskiej populacji. Zaburzenia gleby kwaśno-siarczanowej są często związane z pogłębianiem, odwadnianiem wykopów podczas budowy kanału, zabudowy mieszkaniowej i przystani. Susze mogą również powodować narażenie gleby na kwaśne siarczany i zakwaszenie.

Gleby kwaśno-siarczanowe, które nie zostały naruszone, nazywane są potencjalnymi glebami kwaśno-siarczanowymi (PASS) . Gleby kwaśno- siarczanowe, które zostały naruszone, nazywane są rzeczywistymi glebami kwaśno-siarczanowymi (AASS) .

Uderzenie

Zakłócające potencjalne gleby kwaśno-siarczanowe mogą mieć destrukcyjny wpływ na życie roślin i ryb oraz na ekosystemy wodne . Spłukiwanie kwaśnych odcieków do wód gruntowych i powierzchniowych może powodować szereg oddziaływań, w tym:

  • Szkody ekologiczne w ekosystemach wodnych i nadbrzeżnych poprzez zabijanie ryb , zwiększoną epidemię chorób ryb , dominację gatunków tolerujących kwasy, wytrącanie żelaza itp.
  • Wpływ na projekty związane z rybołówstwem przyujściowym i akwakulturą (zwiększona liczba zachorowań, utrata tarlisk itp.).
  • Zanieczyszczenie wód gruntowych i powierzchniowych arsenem , aluminium i innymi metalami.
  • Zmniejszenie wydajności rolnictwa poprzez zanieczyszczenie gleb metalami (głównie aluminium).
  • Uszkodzenia infrastruktury poprzez korozję rur betonowych i stalowych, mostów i innych elementów podpowierzchniowych.

Skutki rolnicze

Woda morska jest wpuszczana do obwałowanego polderu na glebie kwaśno-siarczanowej w celu poprawy gleby i zwalczania chwastów, Gwinea Bissau

Potencjalnie kwaśne gleby siarczanowe (zwane również kocimi glinkami) często nie są uprawiane lub, jeśli są, obsadzane ryżem , aby gleba mogła być wilgotna, zapobiegając utlenianiu. Zwykle nie zaleca się drenażu podpowierzchniowego tych gruntów.

Podczas uprawy gleby kwaśno-siarczanowe nie mogą być stale mokre z powodu klimatycznych suszy i niedoborów wody do nawadniania , drenaż powierzchniowy może pomóc w usunięciu kwaśnych i toksycznych chemikaliów (powstających podczas suchych okresów) w okresach deszczowych. Na dłuższą metę drenaż powierzchniowy może pomóc w regeneracji gleb kwaśno-siarczanowych. W ten sposób rdzennej ludności Gwinei Bissau udało się zagospodarować gleby, ale zajęło im to wiele lat starannego zarządzania i trudu.

W artykule na temat ostrożnego odwadniania gruntów autor opisuje udane zastosowanie drenażu podpowierzchniowego w glebach kwaśno-siarczanowych w polderach przybrzeżnych stanu Kerala w Indiach.

Również w Sunderbans w Zachodnim Bengalu w Indiach kwaśne gleby siarczanowe zostały wykorzystane w rolnictwie.

Badania przeprowadzone na południowym Kalimantanie w Indonezji, w klimacie wilgotnym, wykazały, że gleby kwaśno-siarczanowe z szeroko rozstawionym podpowierzchniowym systemem odwadniającym przyniosły obiecujące wyniki w uprawie ryżu wyżynnego , orzeszków ziemnych i soi . Miejscowa ludność już dawno osiedliła się na tym terenie i była w stanie uprawiać różne rośliny (w tym owoce drzew), wykorzystując ręcznie wykopane ścieki biegnące od rzeki na ląd, aż do tylnych bagien. Plony były skromne, ale zapewniały dochód wystarczający na przyzwoite życie.

Zrekultywowane gleby kwaśno-siarczanowe mają dobrze rozwiniętą strukturę gleby dzięki obfitości kationów trójwartościowych (głównie Al +3 ), które mają bardzo silne działanie flokulacyjne; są dobrze przepuszczalne, ale niepłodne z powodu zaistniałego wypłukiwania .

W drugiej połowie XX wieku w wielu częściach świata podmokłe i potencjalnie kwaśne gleby siarczanowe zostały agresywnie osuszone, aby uczynić je produktywnymi dla rolnictwa . Wyniki były katastrofalne. Gleby są nieurodzajne, ziemie wyglądają na jałowe, a woda jest bardzo przejrzysta (znowu dzięki flokulacyjnemu działaniu Al +3 ), pozbawiona mułu i życia. Gleby mogą być jednak kolorowe.

Budowa

Gdy mur jest stale wilgotny, jak w przypadku fundamentów, murów oporowych, parapetów i kominów, siarczany w cegłach i zaprawie mogą z czasem krystalizować i rozszerzać się, powodując rozpad zaprawy i tynków. Aby zminimalizować ten efekt, należy zastosować specjalistyczne mury o niskim poziomie siarczanów. Siarczany kwasowe, które znajdują się w warstwach podłoża, mają taki sam wpływ na fundamenty budynku. Odpowiednią ochronę można uzyskać za pomocą folii polietylenowej do osłony fundamentów lub za pomocą cementu portlandzkiego odpornego na siarczany . Aby określić poziom pH gruntu, należy przeprowadzić badanie gleby.

Renowacja i zarządzanie

Podnosząc poziom wód gruntowych, po wyrządzeniu szkód spowodowanych zbyt intensywnym drenażem, gleba może zostać przywrócona. Poniższa tabela podaje przykład.

Odwadnianie i plon palmy olejowej malezyjskiej na glebach kwaśno-siarczanowych (za Toh Peng Yin i Poon Yew Chin, 1982)
Plon świeżych owoców na ha:

Rok 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
Dawać 17 14 15 12 8 2 4 8 14 19 18 19

W 1962 r. zwiększono głębokość i intensywność odwadniania. W 1966 r. ponownie podniesiono poziom zwierciadła wody, aby przeciwdziałać negatywnym skutkom.

Podczas „suszy tysiąclecia” w basenie Murray-Darling w Australii doszło do ekspozycji gleb kwaśno-siarczanowych. Podjęto interwencje inżynieryjne na dużą skalę, aby zapobiec dalszemu zakwaszaniu, w tym budowę obwałowania i pompowanie wody, aby zapobiec ekspozycji i zakwaszeniu jeziora Albert. Zarządzanie zakwaszeniem w Jeziorach Dolnych podjęto również za pomocą dozowania wapienia z powietrza.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Sammut, J.; Biały, I.; Melville, MD (1996). „Zakwaszanie dopływu ujściowego we wschodniej Australii z powodu odwadniania gleb kwaśnych siarczanowych”. Badania morskie i słodkowodne . 47 (5): 669–684. doi : 10.1071/mf9960669 .
  • Sammut, J.; Melville, MD; Callinana, RB; Fraser, G. (1995). „Zakwaszenie estuarium: wpływ na biotę wodną osuszania kwaśnych gleb siarczanowych”. Australijskie Studia Geograficzne . 33 : 89–100. doi : 10.1111/j.1467-8470.1995.tb00687.x .
  • Wilsona BP; Biały, I.; Melville, MD (1999). „Hydrologia równiny zalewowej, zrzut kwasów i zmiana jakości wody związana z odwodnieniem gleby kwaśno-siarczanowej”. Badania morskie i słodkowodne . 50 (2): 149–157. doi : 10.1071/mf98034 .
  • Wilsona BP (2005). „Kwestie klasyfikacji dla Hydrosol i Organosol Gleby zamówienia lepiej objąć kwasowość powierzchniową i głębokie poziomy siarczkowe w glebach kwaśnych siarczanowych”. Australijski Dziennik Badań Gleby . 43 (5): 629–638. doi : 10.1071/sr04136 .
  • Wilsona BP (2005). „Elewacje warstw pirytu w glebach kwaśno-siarczanowych: co one wskazują na poziomy mórz w holocenie we wschodniej Australii”. Catena . 62 : 45–56. doi : 10.1016/j.catena.2005.02.002 .

Zewnętrzne linki