Gleba hydrofobowa - Hydrophobic soil

Gleba hydrofobowa to gleba, której cząsteczki odpychają wodę. Warstwa hydrofobowości często występuje na lub kilka centymetrów pod powierzchnią, równolegle do profilu glebowego. Warstwa ta może mieć różną grubość i obfitość i jest zwykle pokryta warstwą popiołu lub spalonej gleby.

Formacja i struktura

Gleba hydrofobowa najczęściej powstaje, gdy ogień lub gorące powietrze rozprasza związki woskowe znajdujące się w najwyższej warstwie ściółki składającej się z materii organicznej. Po rozproszeniu związki pokrywają głównie cząstki gleby piaszczystej przy powierzchni w górnych warstwach gleby, czyniąc glebę hydrofobową. Innymi producentami powłok hydrofobowych są zanieczyszczenia i wycieki przemysłowe oraz aktywność mikrobiologiczna gleby. Hydrofobowość można również postrzegać jako naturalną właściwość gleby, która wynika z degradacji naturalnej roślinności, takiej jak eukaliptus, który ma właściwości naturalnego wosku.

Stwierdzono, że w konkretnym piasku nowozelandzkim ta woskowata powłoka lipidowa składała się głównie z węglowodorów i trójglicerydów o zasadowym pH oraz mniejszej wartości kwaśnych długołańcuchowych kwasów tłuszczowych. Penetracja kapilarna między cząsteczkami gleby jest ograniczona przez hydrofobową powłokę na cząsteczkach, co powoduje hydrofobowość każdej cząsteczki, na którą wpływa hydrofilowa głowa lipidu, która przyłącza się do cząsteczki piasku, pozostawiając hydrofobowy ogon osłaniający zewnętrzną część cząsteczki. Widać to na rysunku 1 poniżej.

Rysunek 1: Struktura hydrofobowej cząstki piasku w porównaniu z nienaruszoną cząstką gleby. Hydrofobowa cząstka gleby jest pokryta woskopodobnym związkiem lipidowym z hydrofilową główką przymocowaną do pojedynczej cząstki, a hydrofobowy ogon otacza zewnętrzną część cząstki. Ten hydrofobowy ogon chroni przed wchłonięciem wody przez cząsteczki gleby, gdy wiele jest dotkniętych. Nienaruszona cząsteczka piasku nie ma tej powłoki, co oznacza, że ​​woda może przenikać przez piaszczystą glebę.

Stwierdzono, że inne ważne czynniki odwracające wodę glebową obejmują teksturę gleby, mikrobiologię, szorstkość powierzchni gleby, zawartość materii organicznej w glebie, skład chemiczny gleby, kwasowość, zawartość wody w glebie, typ gleby, mineralogię cząstek gliny oraz sezonowe wahania w regionie. Tekstura gleby odgrywa dużą rolę w przewidywaniu, czy gleba może być hydrofobowa, ponieważ większe ziarna w glebie, takie jak piasek, mają mniejsze powierzchnie, co czyni je bardziej podatnymi na pełne pokrycie związkami hydrofobowymi. Dużo trudniej jest całkowicie pokryć cząstkę mułu lub gliny o większej powierzchni, ale kiedy to nastąpi, wynikająca z tego hydrofobowość gleby jest poważna. Ponieważ materia organiczna gleby w postaci biomasy roślinnej lub mikrobiologicznej rozkłada się, zmiany fizykochemiczne mogą również uwalniać te hydrofobowe związki do gleby. Zależy to jednak od rodzaju aktywności drobnoustrojów obecnych w glebie, ponieważ może również hamować rozwój związków hydrofobowych.

Testy hydrofobowości

Wodoodporność gleby jest prawie zawsze testowana najpierw za pomocą testu czasu penetracji kropli wody (WDPT) ze względu na prostotę testu. Ten test jest wykonywany poprzez rejestrowanie czasu potrzebnego na infiltrację jednej kropli wody przez określoną glebę, co wskazuje na stabilność odpychania. Infiltracja wody wyraża się jako samorzutne przedostawanie się wody do gleby i koreluje z kątem kontaktu wody z glebą. Jeżeli kąt zwilżania woda-gleba jest większy niż 90º, to gleba jest określana jako hydrofobowa. Zaobserwowano również, że jeśli testowana kropla zostanie umieszczona na hydrofobowej glebie, szybko rozwinie się w niej drobna skórka, zanim zniknie.

Wyniki WDPT:

Tabela 1: Charakterystyka stopnia hydrofobowości w glebach na podstawie testu penetracji kropli wody.

Inną metodą określania hydrofobowości gleby jest test molarności kropli etanolu (MED). Test MED wykorzystuje roztwory etanolu o różnych napięciach powierzchniowych do obserwacji zwilżania gleby w ciągu 10 sekund. Jeżeli w określonym czasie nie nastąpi zwilżenie, wodny roztwór etanolu o niższym napięciu powierzchniowym umieszcza się na innym obszarze próbki. Wyniki testu MED zależą od molarności roztworu etanolu, którego krople zostały zaabsorbowane w wyznaczonym czasie 10 sekund. Klasyfikację wodoodporności gleby na podstawie tego badania można przeprowadzić przy użyciu wskaźnika MED, w którym gleba niewodoodporna ma wskaźnik mniejszy lub równy 1, a gleba silnie hydrofobowa ma wskaźnik większy lub równy 2,2. Indeks MED, napięcie powierzchniowe 90º, molarność etanolu i procent objętości są ze sobą skorelowane i mogą być przeliczane na siebie. W tym teście, wartość napięcia powierzchniowego ciecz-powietrze roztworu etanolu, który jest zaabsorbowany w tym przedziale czasowym, jest wykorzystywana jako napięcie powierzchniowe gleby pod kątem dziewięćdziesięciu stopni. Kolejnym wskaźnikiem szybkości infiltracji jest ciśnienie wnikania wody związane z badaną glebą, związane ze stopniem wodoodporności wraz z wielkością porów gleby.

Wpływ na rolnictwo i ekosystemy

Gleby hydrofobowe i ich niechęć do wody mają wpływ na dostępność wody dla roślin, składniki odżywcze dostępne dla roślin, hydrologię i geomorfologię dotkniętego obszaru. Zmniejszając szybkość infiltracji, skraca się czas generowania odpływu i prowadzi do zwiększenia przepływu wody na lądzie podczas opadów atmosferycznych lub nawadniania. Większy odpływ zwiększa erozję, powoduje nierówne wzorce zwilżania gleby, przyspiesza wypłukiwanie składników odżywczych, zmniejszając żyzność gleby, rozwija różne ścieżki przepływu w regionie i zwiększa ryzyko zanieczyszczenia gleby.

Drenaż składników odżywczych występuje w słabszych obszarach hydrofobowych w glebie hydrofobowej, gdzie woda preferencyjnie spływa do gleby. Ponieważ woda nie może spływać do silniejszych obszarów hydrofobowych, woda znajduje ścieżki preferencyjnego przepływu, gdzie może wnikać głębiej w profil glebowy. Jeśli nawadnianie lub opady są duże, woda może potencjalnie płynąć poniżej strefy korzeniowej, czyniąc ją niedostępną dla jakiejkolwiek rośliny i często zabierając ze sobą nawozy i składniki odżywcze. Prowadzi to dodatkowo do nierównomiernego rozmieszczenia składników odżywczych i zastosowanych środków chemicznych, co skutkuje niejednolitą wegetacją.

W środowisku rolniczym gleba hydrofobowa stanowi duże ograniczenie plonów. Na przykład w Australii udokumentowano doniesienia o nawet 80% strat w produkcji spowodowanych hydrofobowością gleby. Wynika to z niskiego tempa kiełkowania nasion w glebie oraz niskiego poziomu wody dostępnej dla roślin.

Lokalizacje i wygląd gleb hydrofobowych

Gleby hydrofobowe zostały znalezione na wszystkich kontynentach z wyjątkiem Antarktydy. Występuje w suchych regionach Stanów Zjednoczonych, południowej Australii i basenie Morza Śródziemnego oraz w wilgotnych regionach, w tym w Szwecji, Holandii, Kolumbii Brytyjskiej i Kolumbii. Chociaż pojawia się głównie na glebach o gruboziarnistej teksturze, takich jak gleby z przewagą piasku, wpływa na gleby wszystkich różnych typów gleby i jest zgłaszany w lasach, pastwiskach, działkach rolnych i zaroślach. Generalnie stopień hydrofobowości jest większy na glebach pastwisk z roślinami motylkowymi niż na polach uprawnych.

Zarządzanie glebą hydrofobową

Jedną z metod gospodarowania glebami hydrofobowymi jest glinowanie. Odbywa się to poprzez dodanie do gleby materiałów gliniastych, dzięki czemu ogólna tekstura gleby ma mniejszą powierzchnię. Stwierdzono, że dodanie gliny do hydrofobowego pola jęczmienia zwiększyło plon z 1,7 do 3,4 t/ha, a na polu łubinu o 1 t/ha w okresie 2 lat. Wapnowanie to kolejny sposób na zmniejszenie hydrofobowości gleby. Proces wapnowania polega na dodaniu węglanu wapnia w celu zwiększenia pH gleby. Kwas huminowy jest rozpuszczalny w wodzie tylko przy pH większym niż 6,5, podczas gdy kwas fulwowy jest rozpuszczalny we wszystkich zakresach pH. Oba kwasy rezydentne mają właściwość, która umożliwia im zmniejszenie napięcia powierzchniowego wody w roztworze. Zwiększając pH gleby, zwiększa się zdolność naturalnie występującego kwasu fulwowego i humusowego do zwiększania infiltracji w glebach hydrofobowych. W przeciwieństwie do tego, doniesiono, że gleby z niedoborem kwasu fluwowego w roztworze miałyby silniejszą hydrofobowość.

Rolnicza praktyka uprawy roli zmniejsza stopień hydrofobowości gleby. Uprawianie pól uprawnych zmniejsza zawartość węgla w glebie poprzez mieszanie i mineralizację, zmniejszając w ten sposób prawdopodobieństwo rozkładu przez mikroorganizmy, które mogą prowadzić do rozproszenia hydrofobowej powłoki, która wyzwala hydrofobowość gleby.

Naturalnie tworzące się dziury i pęknięcia w hydrofobowych płatach gleby umożliwiają przenikanie wody do powierzchni. Mogą one powstawać z zakopanych zwierząt, kanałów korzeniowych lub makroporów z zepsutych korzeni. Te makropory zostały zidentyfikowane jako ważne ścieżki w ekosystemach leśnych umożliwiające penetrację wody przez glebę, ponieważ stanowią one około 35% przypowierzchniowej objętości gleby.

Bibliografia