Drenaż płytek - Tile drainage

W rolnictwie , drenaż płytki jest typu układu odwadniającego , który usuwa nadmiar wody z gleby pod jej powierzchnią. Podczas gdy nawadnianie polega na dostarczaniu dodatkowej wody do gleby, gdy jest ona naturalnie zbyt sucha, drenaż zmniejsza wilgotność gleby, a tym samym zwiększa ilość powietrza w jej porach, aby poprawić warunki dla optymalnego wzrostu upraw. Podczas gdy wody powierzchniowe mogą być odprowadzane przez pompowanie, otwarte rowy lub jedno i drugie, drenaż płytkowy jest często najostrożniejszą praktyką odprowadzania wody podpowierzchniowej.

Sformułowanie „płytki drenażowe” wywodzi się z oryginalnego składu kafli z wypalonej gliny , czyli ceramiki , które były podobne do fajek z terakoty, ale nie zawsze miały kształt fajki. W XIX wieku płytkę kanałową w kształcie litery „C” powszechnie umieszczano w formie łuku na płaskiej płytce, oznaczaną odpowiednio jako „kubek” i „podeszwa”. Obecnie drenaż płytkowy to każda odmiana tego oryginalnego systemu, która działa w tym samym trybie. Powszechnie stosuje się rury HDPE i PVC określane jako „linia płytek”, chociaż nadal stosuje się prefabrykowane płytki betonowe i ceramiczne .

Nadmiar wody podpowierzchniowej jest szkodliwy dla rolnictwa, ponieważ wypełnia pory gleby i usuwa zawarte w nich powietrze. Korzenie większości roślin uprawnych wymagają pewnej ilości powietrza do życia i wzrostu, dlatego nadmiar wody podpowierzchniowej hamuje ich wzrost, a jeśli pozbawia je powietrza przez odpowiedni czas, powoduje ich gnicie i śmierć. Takie szkody dla korzeni upraw hamują lub zabijają wzrost upraw nad ziemią. Ponadto, nawet jeśli wykluczy się szkodę dla korzeni upraw, kolejnym ważnym powodem drenażu jest to, że nadmiar wody może ograniczać dostęp do ziemi, zwłaszcza przez ciężkie maszyny: pojazdy i przyczepy zatapiają się i rozrywają mokrą glebę i mogą utknąć w to. Dostęp do pola jest kluczowy, ponieważ większość nowoczesnego rolnictwa opiera się na użyciu ciężkich maszyn do uprawy rozsadnika; zasadzić uprawę; uprawiać glebę po posadzeniu; stosować nawozy, herbicydy, pestycydy itp.; i żniwa.

Zwiększone plony

Większość upraw wymaga określonych warunków wilgotności gleby i nie rośnie dobrze na mokrej, błotnistej glebie. Nawet w glebie, która nie jest błotnista, korzenie większości roślin nie wyrastają znacznie głębiej niż lustro wody. Na początku sezonu wegetacyjnego, kiedy woda jest pod dostatkiem, rośliny są małe i nie wymagają tak dużej ilości wody. W tym czasie rośliny nie muszą rozwijać korzeni, aby dotrzeć do wody. Gdy rośliny rosną i zużywają więcej wody, wody staje się coraz mniej. W tym czasie lustro wody zaczyna opadać. Rośliny muszą następnie wykształcić korzenie, aby dostać się do wody. W okresach suszy zwierciadło wody może opadać szybciej niż tempo, z jakim rośliny wypuszczają korzenie, aby do niego dotrzeć, co może poważnie stresować rośliny.

Dzięki zainstalowaniu drenażu z płytek skutecznie obniża się zwierciadło wody, a rośliny mogą prawidłowo rozwijać swoje korzenie. Brak nasycenia gleby wodą pozwala na pozostawanie tlenu w porach gleby do wykorzystania przez korzenie. Płytka drenażowa zapobiega przedostawaniu się korzeni pod zwierciadło wody w okresach wilgotnych, co może stresować rośliny. Usuwając nadmiar wody, rośliny efektywniej wykorzystują wodę, do której mają dostęp ich korzenie. Wzrost plonów można podsumować jako zmuszanie roślin do rozwijania większej liczby korzeni, aby mogły wchłonąć więcej składników odżywczych i wody.

Ta sama zasada działa w doniczkach z roślinami domowymi: ich otwory drenażowe w dnie odprowadzają nadmiar wody z podłoża, dzięki czemu powietrze może wypełnić pory podłoża i być dostępne dla korzeni, które pozbawione powietrza przez nasycenie podłoża medium z wodą przez wystarczający czas, zgnije i umrze. Zainstalowanie drenażu płytkowego na polu w układzie kratowym daje ten sam efekt dla pola o powierzchni kilkuset akrów.

Instalacja wodno-kanalizacyjna płytki odpływowej

Rura drenażowa karbowana z polietylenu, Ida Township, Michigan

W kaflowym systemie drenażowym pod powierzchnią pól rolniczych zainstalowany jest rodzaj „hydrauliki”, składający się z sieci podziemnych rur, które umożliwiają odprowadzanie wody podpowierzchniowej spomiędzy cząstek gleby do linii płytek. Woda przepływająca przez linie płytek jest często ostatecznie osadzana w punktach wód powierzchniowych – jeziorach, strumieniach i rzekach – znajdujących się na niższych wysokościach niż źródło. Woda dostaje się do linii płytek albo przez szczeliny między sekcjami płytek, w przypadku starszych wzorów płytek, albo przez małe perforacje w nowoczesnych płytkach z tworzywa sztucznego. Instalacja płytek lub linii płytek może wymagać koparki do rowów ( Ditch Witch ), pługu , koparko-ładowarki lub innego ciężkiego sprzętu .

Rodzaj gleby ma duży wpływ na skuteczność systemów płytek i dyktuje zakres, w jakim obszar musi być wyłożony płytkami, aby zapewnić wystarczający drenaż. Gleby piaszczyste będą wymagać niewielkiego, jeśli w ogóle, dodatkowego drenażu, podczas gdy gleby o dużej zawartości gliny będą bardziej szczelnie utrzymywać wodę, co wymaga ułożenia linii płytek bliżej siebie.

Konserwacja

Korzenie żywopłotów i drzew chroniących przed wiatrem są naturalnie przyciągane przez korzystne warunki nawadniania, które zapewniają płytki lub linie sąsiadujących pól. Hydrotropizm odgrywa rolę, ponieważ włośniki na dynamicznie sondujących wierzchołkach korzeni drzew reagują inaczej na wilgotne szczeliny niż na suchsze, wymieniając informacje hormonalne z resztą drzewa, które zachęcają je do skoncentrowania się na wchodzeniu w tak korzystne nisze. W perforacjach płytek drenażowych, podobnie jak w popękanych lub zardzewiałych wodociągach i przewodach kanalizacyjnych pod ulicami miast, korzenie te znajdują idealne połączenie wejścia i obfitego zaopatrzenia w wodę za nim. W rezultacie w każdym z tych systemów rurowych czasami występują blokady i konieczne jest ich usunięcie za pomocą wężyka , wężyka z nożem obrotowym , wybrania kopania i ciągnięcia oraz podobnych metod. W niektórych regionach rolnicy muszą stale konserwować linie drenażowe z płytek, aby były otwarte i działały prawidłowo, z co najmniej pewnym czyszczeniem co roku w tej lub innej części systemu.

Historia drenażu płytek

Kubki i podeszwy płytek
Stara płytka drenażowa wydobyta z placu budowy na farmie w hrabstwie Monmouth, NJ
Opróżnij płytkę w ziemi z tego samego miejsca

Starożytni rzymscy autorzy Katon Starszy i Pliniusz Starszy opisali systemy odwadniające dachówki odpowiednio w 200 rpne i I wieku naszej ery. Według Johnston Farm drenaż z płytek został po raz pierwszy wprowadzony do Stanów Zjednoczonych w 1838 roku, kiedy John Johnston zastosował tę praktykę w swojej rodzinnej Szkocji na swojej nowej farmie w hrabstwie Seneca w stanie Nowy Jork . Johnston położył 72 mile (116 km) glinianych płytek na 320 akrach (1,3 km 2 ). Wysiłek ten zwiększył plony pszenicy z 12 buszli z akra do 60. Johnston, „ojciec drenażu kaflowego w Ameryce”, przez całe życie nadal opowiadał się za drenażem kaflowym, przypisując swój sukces w rolnictwie formule „D, C i D”, tj. łajno, kredyt i drenaż.

Rozbudowa systemów odwadniających była ważnym aspektem technicznym ekspansji na zachód w Stanach Zjednoczonych w XIX wieku. Chociaż ziemia w Stanach Zjednoczonych była podzielona zgodnie z systemem geodezji publicznej , wprowadzonym na mocy rozporządzenia o gruntach z 1785 r. , rozwój, zwłaszcza gruntów rolnych, był często ograniczany przez tempo, w jakim nadawały się do uprawy. Na przykład, chociaż Iowa została uznana za stan Stanów Zjednoczonych w 1846 r., mapy przedstawiające własność ziemi wskazywały poniżej średniej gęstości zaludnienia w północno-zachodnim regionie Iowa dopiero w latach 70. XIX wieku, co stanowi zakątek stanu, który słynie z wysokiego poziomu wód gruntowych oraz licznych jezior i terenów podmokłych .

Państwa zachodnie miały podobne ograniczenia w intensyfikacji rolnictwa. Wiele stanów oferowało zachęty rządowe do ulepszania gruntów pod rolnictwo. Na przykład ustawodawstwo w Indianie doprowadziło do ustanowienia w 1850 r. federalnego statutu, który przewidywał sprzedaż bagien rolnikom ze zniżką, pod warunkiem, że osuszą oni ziemię i poprawią jej wydajność w rolnictwie. Aby ułatwić taką poprawę, większość stanów ustanowiła agencje rządowe regulujące instalację drenażu dachówkowego. Nawet obecnie wybory lokalne w bardziej wiejskich stanach często obejmują wybór członków rad nadzorczych odwadniania; np. w Michigan komisarz ds. odwadniania hrabstwa nadal jest powszechnie wybierany.

W dziesięcioleciach po wojnie secesyjnej systemy odwadniające zostały szybko rozbudowane. Na przykład literatura historyczna z Ohio podaje, że w 1882 r. liczba osuszonych akrów była w przybliżeniu równa powierzchni osuszonej ziemi we wszystkich poprzednich latach. W latach 30. Cywilny Korpus Ochrony rozszerzył systemy odwadniania dachówek na całym Środkowym Zachodzie , z których znaczna część jest nadal używana.

Postępy w technologii odwadniania

Aż po II wojnie światowej technologia układania płytek pozostała podobna do metod zastosowanych po raz pierwszy w 1838 roku. Chociaż sekcje cementowe zastąpiły później oryginalne płytki gliniane, a do kopania rowów pod linie płytek używano maszyn, proces ten pozostał dość pracochłonny. intensywne i ograniczone do wyspecjalizowanych wykonawców.

Wprowadzenie płytek z tworzywa sztucznego przyczyniło się do obniżenia zarówno kosztów montażu płytek, jak i nakładów pracy. Zamiast układać poszczególne odcinki płytek cementowych w wykopie od końca do końca, instalatorzy musieli jedynie rozwinąć ciągły odcinek lekkiej, elastycznej linii płytek. Pod koniec XX wieku, kiedy w amerykańskich gospodarstwach pojawiły się duże ciągniki z napędem na cztery koła, na rynku pojawiły się narzędzia do majsterkowania. Dzięki obniżeniu kosztów instalacji płytek i umożliwieniu jej wykonania zgodnie z harmonogramem właściciela gruntu, rolnicy są w stanie osuszyć zlokalizowane mokre miejsca, które mogą nie stwarzać wystarczającego problemu, aby zasługiwać na bardziej kosztowne operacje. W ten sposób rolnicy mogą cieszyć się wzrostem plonów, jednocześnie oszczędzając na kosztach kapitałowych instalacji płytek. Być może najbardziej użyteczne wdrożyć w historii drenażu był James B. Hill „s Buckeye trakcji DITCHER , na którym położono płytki odwadniające w rekordowym tempie. Maszyna do kopania Hill'a osuszyła Wielkie Czarne Bagna w Ohio, rozległe połacie Luizjany i bagna Florydy.

Społeczne i ekologiczne skutki drenażu płytek

Pod względem ekologicznym rozbudowa systemów odwadniających miała ogromne negatywne skutki. Setki tysięcy gatunków z terenów podmokłych doświadczyło znacznego spadku populacji, ponieważ ich siedliska były coraz bardziej rozczłonkowane i niszczone. Chociaż polowania na rynku w obrębie Centralnego Szlaku Lotniczego były czynnikiem przyczyniającym się do spadku liczebności wielu gatunków ptactwa wodnego we wczesnych dekadach XX wieku, utrata siedlisk lęgowych w wyniku ekspansji rolniczej jest z pewnością najbardziej znacząca. Wczesne mapy stanów środkowo-zachodnich przedstawiają wiele jezior i bagien, które dziś nie istnieją lub są znacznie zmniejszone. Kanałowego , powiązany sposób zatężania i ułatwiania przepływu wody z obszarów rolnych, a także przyczynić się do tego rozkładu.

Drenaż kafelkowy i odpowiednie zmiany w krajobrazie – osuszanie terenów podmokłych, wilgotnych gleb i odprowadzanie strumieni – przyczyniły się do bardziej erozyjnych rzek. Ta reakcja rzek na odwodnienie jest wynikiem skrócenia czasu przebywania wody w krajobrazie. Na przykład, opady były utrzymywane na terenach podmokłych i w/na powierzchni gleby, stale odparowując lub wykorzystywane poprzez transpirację roślin. Woda powoli spływała przez krajobraz i ostatecznie spływała do rzek. Proces drenażu płytkowego, stosowany do szybkiego i wydajnego osuszania gleb, skutkuje sprawnym przesyłem wody do rzeki – tak wydajnym, że do rzek trafiają większe ilości wody. Skutkiem większych objętości wody jest większa ilość energii w wodzie – stan dynamicznej równowagi, w którym rzeki istniały od wieków (powoli zmieniający się kształt i nieprzerwanie transportujące ograniczone osady) był i obecnie jest niezrównoważony. Skutkiem tej utraty równowagi jest ekstremalna erozja brzegów, która powoduje nadmierne obciążenia osadów i krytyczne skutki dla środowiska naturalnego i siedlisk rzecznych.

Płytki drenażowe czasami zmniejszają erozję gleby i spływ niektórych składników odżywczych, w tym fosforu. Fosfor jest ważnym składnikiem odżywczym, który należy kontrolować, ponieważ jest składnikiem ograniczającym w większości ekosystemów wodnych. Tak więc fosfor jest głównym sprawcą eutrofizacji wód powierzchniowych; jednak inny ograniczający składnik pokarmowy, azot, powoduje znaczne szkody w wodach. Na przykład, azot został powiązany z niedotlenieniem zatoki. Płyta drenażowa czasami poprawia jakość wody, ponieważ woda spływa do gruntu, a następnie do płyty, zamiast spływać z pola do rowu, niosąc ze sobą glebę i składniki odżywcze. Gleba ma szansę przefiltrować wodę, zanim dostanie się ona do strumieni i rzek. Jednak omijając ulepszenia powierzchni, takie jak uprawa konserwująca lub bufory nadbrzeżne, drenaż płytkowy może również powodować problemy z jakością wody, a odpływ z drenażu płytkowego jest zwykle bardzo wysoki w azocie. Co więcej, niektóre drenaże z płytek zawierają czasami bardzo wysokie poziomy innych chemikaliów. Ponieważ powierzchniowe formy upraw konserwujących są mniej skuteczne w systemach z odwadnianiem płytek, inne praktyki, takie jak kontrolowane odwadnianie lub budowa mokradeł, mogą być bardziej skuteczne. Na bardzo płaskich terenach, gdzie naturalna topografia nie zapewnia spadku niezbędnego do przepływu wody, można wykopać „studnie rolnicze”, aby zapewnić wystarczający upływ kafelków. W takich przypadkach to woda gruntowa może być zanieczyszczona przez niefiltrowane płytki.

Intensywne operacje hodowlane (ILO) / operacje skoncentrowanego żywienia zwierząt (CAFO) doprowadziły do ​​wyzwań związanych z usuwaniem ścieków hodowlanych. Ścieki hodowlane zawierają cenne składniki odżywcze, ale niewłaściwe stosowanie tych materiałów może prowadzić do poważnych problemów ekologicznych, takich jak ładowanie składnikami odżywczymi. Jedną z metod stosowanych przez aplikatorów obornika w celu poprawy pobierania składników odżywczych jest wstrzykiwanie ścieków bezpośrednio do gruntu. Płyty drenażowe mogą zwiększać przesiąkanie wstrzykiwanego gnojowicy do powierzchniowych cieków wodnych w wyniku wstrzykiwania gnojowicy, ponieważ gnojowica przenika przez glebę, a następnie spływa z pola do cieków wodnych przez płytki drenażowe.

Obecnie wiele inicjatyw stanowych i federalnych służy odwróceniu utraty siedlisk. Wiele programów zachęca rolników, a nawet zwraca im pieniądze za przerwanie odwadniania miejscowych mokrych dziur na ich posesji, często poprzez przerwanie wlotów płytek lub całkowite usunięcie płytki. Właściciele gruntów często otrzymują częściową lub pełną rekompensatę za utratę możliwości uprawy roślin na tej ziemi. Takie programy i współpraca właścicieli ziemskich w całym kraju wywarły znaczący pozytywny wpływ na populacje szerokiej gamy ptactwa wodnego.

Zobacz też

Bibliografia