钙质Saline-Sodic土壤干旱环境的可持续管理:约旦河谷的浸出过程

文摘

浸出实验的钙质saline-sodic土壤是在约旦河谷进行,旨在减少土壤盐渍度≤4.0 dS m⁻¹。量化的有效除盐的根区使用三个治疗方案。治疗包含土壤修正与石膏浸出淡水(EC dS = 1.1 m⁻¹)。治疗B和C包含nonamended土壤,但B只与淡水淋滤而治疗C的土壤盐碱农业排水水清洗(EC dS = 8米⁻¹)在实验的开始,继续用淡水达到所需的土壤盐碱化。所有治疗能够降低土壤盐度实验结束时所需的水平;然而,有明确的治疗除盐效率的差异是由直接来源的钙离子的存在。石膏大幅下降引起的土壤修正土壤盐度、排水水的导电性和排水两倍的水nonamended土壤。发现利用农业排水水和石膏作为钙质saline-sodic土壤复垦土壤改良剂能约旦河谷可持续农业管理进行了有益的贡献。

1。介绍

Saline-sodic土壤可以显著降低影响农业土地的生产力。盐渍土具有电导率(EC)的饱和土壤提取超过4 dS m⁻¹在25°C (1,2]。土壤盐碱化是农业可持续发展面临的主要问题在约旦河谷和不利影响土壤生产力。世界上许多干旱和半干旱地区包含有高盐度的水土资源不适合最常见的经济作物(3]。约旦,面积89556公里²超过80%的沙漠中,有超过180000公顷的耕地受到土壤盐度(4]。土壤盐碱化的主要来源是自然(由于父母土壤材料,盐存款,和气候条件)或长期使用化肥造成的低降雨量、高盐灌溉用水的使用。在约旦河谷,这些来源主要是发现在死海周围的大部分土地面积和自然高盐水的赤纬死海的水位。在其他地区中部和北部地区的山谷,土壤盐碱化是由于上升运动灌溉方式,在炎热干燥的气候条件下,溶解盐积聚在根区(5,6]。把盐从根区可以通过使用各种方法。土壤浸出是众所周知的最有效的方法,但这需要大量的水。因此,不建议一个国家,如乔丹,稀缺的水资源。生物方法,如耐盐植物(盐生植物)和某些细菌菌株,据报道可有效去除盐从根区(2,7]。灌溉用水质量差以及saline-sodic土壤减少了植物产量和土壤生产力代表着一个重大威胁。然而,这些方法的影响的信息在这个地区土壤复垦是稀缺的。

重用的盐水和改进被盐化土壤越来越重要工具改善作物生产和创造了额外的农场土地节约淡水资源。此外,世界许多地区土壤的高盐度和水日志的问题。大量的地下/表面排水系统安装了降低地下水位,从土壤saline-sodic浸盐。质量差的水可用于saline-sodic土壤地区的浸出有被盐化有限的淡水资源和土壤。

钠质土含有过量的可交换的Na⁺在土壤胶体和可溶性碳酸盐导致更高的土壤博士修改saline-sodic土壤材料,将为二价阳离子如钙^{+ 2}来取代可交换的钠⁺。Ca的交换^{+ 2}与钠⁺土壤中导致土壤颗粒的絮凝,多孔结构的恢复,增加土壤通透性。钠质土也需要水的回收富含电解质通过土壤剖面有离开二价离子,通常Ca^{+ 2}在土壤和洗涤交换Na⁺离子的根区(Hanay et al . 2004年)(8]。

包含碳酸钙(CaCO Saline-sodic土壤₃在干旱和半干旱地区)是常见(奥斯特et al . 1996年)。自从CaCO₃溶解速度太慢供应足够的Ca^{+ 2}离子交换、酸或酸前,如石膏(Wong et al . 2009年),硫酸Sadiq et al。(2007),或有机物质(李和克伦2009),可以作为土壤改良剂应用于增强CaCO₃解散。石膏是使用最普遍的农业土壤改良碱土的改良。它减少钠含量高的破坏性影响灌溉用水由于其溶解度高、易用性和低成本(8]。多项研究表明,高的应用石膏回收saline-sodic土壤增加了去除多余的钠⁺从土壤和导致电导率显著减少钠吸附比在土壤(克伦1996;Sadiq et al . 2003;哈姆萨和安德森et al . 2003;Hanay et al . 2004年)。因此,本研究的目的是收回saline-sodic土壤使用gypsum-amended土壤、淡水、和排干水。这项研究的目的是促进盐渍土浸在一个干旱的环境中,比如约旦河谷,减少土壤盐度的电导率小于4.0 dS m⁻¹。此外,调查进行分析可滤去主要的阳离子和阴离子的土壤剖面。最后,这项研究的另一个目的是确定可持续水资源管理(SWM)实践通过保护淡水使用排干水浸出盐渍土。

2。材料和方法

2.1。网站和实验准备工作

这项研究是在Ghor Al-Safi,面积在约旦河谷南部大约20公里的南部边缘。面积近平只有轻微的斜坡。气候是亚热带,特点是炎热,干燥的夏季(4月至10月)和一个温暖的冬季(11月至3月)。降雨量小于80毫米/年主要发生在两个或三个主要事件在冬季(9,10]。土壤的特点是低生育率,有机质(1.01 - 4.71%),和CEC (cmol 49公斤⁻¹)[11,12]。这个地区的自然植被由分散的野生植物宽容的高盐度、等Prosopis farcta,Proposi juliflord,和Ziziphus spina-christi(13]。占主导地位的土壤质地土壤结构差的淤泥,和平均盐度98.1 dS / m基于饱和粘贴测试。这片土地已经被归类为极咸区域(14]。土地肥沃的层,40厘米厚,被发现在大约60厘米深。

土壤改良实验使用三种类型的再生治疗。土壤化学和物理性质测量之前和之后的回收实验来评估盐去除效率和量化的盐从植物根区有效使用不同的治疗方法。治疗应用,即土壤修正与石膏(治疗),未经处理的土壤的面积(治疗B),和未经处理的土壤(C)治疗。治疗C与农业排水盐水洗(EC dS = 8.0 m⁻¹,Na⁺= 2743.3 mg / L, Ca^{+ 2}= 1802.7 mg / L,毫克^{+ 2}= 1051.2 mg / L)的实验,然后浸出继续淡水(EC dS = 1.1 m⁻¹,Na⁺= 73.3 mg / L, Ca^{+ 2}= 34.3 mg / L,毫克^{+ 2}= 41.6 mg / L)类似于其他疗法。治疗块由三个独立的实验单位,每50米²(5 m×10 m)和关沟180厘米深收集排水水,图1。有9个试验单位(3×3复制)治疗。连续洪水方法用于土壤浸出。

石膏应用于治疗应用程序速度为10.9公顷⁻¹。石膏需求所需的应用石膏(应用程序)交换性钠减少百分比(ESP) 10%的实验中,考虑到ESP大约42%根据研究区域(类似的记录14]。上30厘米的土壤与淡水混合和灌溉每星期一次。治疗B代表土壤通常在研究区中找到。这种治疗是不断用淡水洗实验期间。相反,治疗C是淋溶最初使用盐水直到排水水达到20 dS的盐度值m⁻¹。之后,用淡水淋滤,直到4 dS的排水水达成EC值m⁻¹。

2.2。土壤、水取样和分析

收集土壤样本从三个深度(0-50、50 - 100和100 - 150厘米)为每个治疗开始时和浸出至少25周后治疗;数据如表所示1和2。从每个治疗,10样本取自3深度(0-50、50 - 100和100 - 150厘米)使用土钻然后均质代表每个治疗,总共30个样本。总之,每个处理三个均质样品进行了分析。排水时的浸出终点是决定水的电导率(EC)达到一个值≤4 dS m⁻¹。土壤样品的化学和物理性质测定化学部门,后来在μ'tah大学农业学院实验室乔丹。土壤可溶性离子(Cl⁻,,,Na⁺K⁺、钙^{+ 2},毫克^{+ 2})测定土壤饱和粘贴据美国盐度实验室工作人员(15]和罗迪斯[16]。的Cl⁻和分析了离子使用重量滴定法和比浊法,分别。Ca^{+ 2}和毫克^{+ 2}阳离子测定原子吸收分光光度法(AAS)。最后,Na⁺和K⁺分析了利用火焰发射光度法(聚全氟乙丙烯)。

而交换钠⁺和K⁺在醋酸铵提取和Ca吗^{+ 2}和毫克^{+ 2}根据罗(乙酸钠17),他们使用相同的聚全氟乙丙烯进行分析和原子吸收技术上面所提到的,分别。此外,在饱和土壤EC测量粘贴提取使用EC-meter [16]。土壤质地决定使用比重计法根据哇和波特(18]。OM决心使用湿法氧化方法根据火花等。19]。CEC确定位移的阳离子从土壤样本1 N醋酸铵,和决心是用火焰光度计(Palemio和罗迪斯1977)。石膏分析土壤中按照标准化程序所描述的是et al。20.]。碳酸(HCO₃)内容确定使用土壤容量滴定法粘贴提取(罗迪斯et al . 1992年)。

从淡水水样收集用于灌溉和土壤浸出和排水使用聚乙烯瓶水。周围的水通过排水沟渠收集每个治疗在深度1.8米浸出实验,直到其EC值达到≤4 dS m⁻¹。所有的排水水抽出和它的数量来衡量。此外,它为EC和主要离子成分进行了分析。下面的离子(Na⁺、钙^{+ 2}、镁^{+ 2},Cl⁻,)使用Dionex离子色谱仪模型分析了DX 100(美国Dionex)。

2.3。统计分析

设计方差分析(方差分析)被用来测试治疗影响通过应用以下数学模型(21]:=+++ij(代表的观察ijth实验单元(=情节),τ_我代表了治疗的效果我,这样的平均每个治疗+,εij是残差,每个观察从他们的预期值的偏差,的效果是jth复制和μ整体的意思)。费舍尔最显著差异(LSD)用作比较的方法治疗手段。统计分析是运用统计分析系统(SAS)软件。

3所示。结果与讨论

3.1。土壤物理和化学性质

实验网站的主要土壤质地是淤泥的记录在表1。高泥沙含量对土壤水分运动有不利影响由于其渗透系数低。OM内容变化从0.7到3.0%,电子商务从27到144 dS⁻¹为研究土壤、表1。因此,土壤被列为saline-sodic [22]。高土壤盐碱化土壤微生物活动的限制因素;它负责OM退化;因此,积累下盐水环境。此外,上层土壤深度(0-50厘米)显示高ESP范围(39 - 97%),因为由于高温蒸发蒸腾在约旦河谷。由于毛细管现象,更多的盐积累在上部土层23]。而ESP范围从17 45%中产土壤的深度(50 - 100厘米),最深的泥土层(100 - 150厘米)显示高ESP 27 - 55%的范围,因为他们接触的水位。因此,特别是有大变化值由于盐累积浸出开始治疗前;这是一个正常的盐水含钠的异质性土壤基质在这样一个干旱的环境。

此外,高浓度的阳离子和阴离子,尤其是Na⁺和Cl⁻土壤中,会导致土壤盐渍度高。的Cl⁻浓度范围从230到1377毫克当量/ L在表层和深层土壤层次。Na⁺Cl表现出类似的趋势⁻其浓度范围从108毫克当量/ L的深层土壤表层670毫克当量/ L。pH值从6.9到8.3不等。碱性pH值是由于高CaCO的存在₃土壤中的浓度(24]。土壤CaCO₃从35.0%到47.6%不等。在碱性土壤,CaCO的解散₃不太可能,导致低HCO₃浓度(2.4到5.0毫克当量/ L)如表1;因此碱性pH居住在Ca^{+ 2}溶解度(25]。因此,Ca的主要来源^{+ 2}土壤中的石膏,石膏的浓度从6.2%至1.5不等。石膏被用于回收的含钠的土壤的Ca^{+ 2}取代钠⁺(Bresler 1982)。因此,一个额外的石膏是添加到土壤原始金额不足够收回saline-sodic以来土壤(弗仑克尔et al . 1989;Baumhardt et al . 1992年)。累计数量记录在水浸出实验持续了至少25周减少土壤盐渍度dS 4.0 m⁻¹。这水的量是107、101和102³每50米²对石膏、淡水和盐水治疗,分别(图2)。估计淋滤水回收所需数量的调查saline-sodic土壤是21400,20200,20400³每公顷,石膏、淡水和盐水治疗,分别。这些高水含量被认为是乔丹患有严重缺水(12,26]。因此,利用农业排水水浸出过程,直到达到20 d m⁻¹排干水可以节省大约66%(13200米³每公顷)的淡水需求(27]。这种方法的一个缺点是,利用微咸水消耗更大的水相比,用新鲜水浸出所需的金额(28,29日]。此外,土壤肿胀也会发生可能导致增加的体积随着土壤湿和收缩。这种现象可能发生当一个高含盐量土壤如ESP > 15%是高30.),以及一个广泛的土壤结构退化可能发生当灌溉用水SAR > 13 (31日]。Na的质量平衡⁺表明,并不是所有的交换钠可以删除在回收阶段,尽管大量的过剩石膏应用(31日]。

3.2。土壤浸出实验

海水淡化曲线(图3)表明,三种不同的浸出治疗能够减少土壤盐度小于4 dS m⁻¹在实验的最后。在土壤盐度急剧下降的前几周浸出实验观察。然后逐步减少观察连续浸出到实验的最后。石膏治疗一个最快的和最有效的治疗是欧共体拒绝dS不到20米⁻¹只有在7周,治疗B需要14周和治疗C需要16周,人物3。类似行为的土壤盐度也报道了Gharaibeh et al。29日]。Gharaibeh等人的研究表明,淋溶盐在实验的开始,更大的,但是他们的效率持续下降。用于浸出的水质量发挥了重要作用所需的水量和时间盐从治疗淋溶土。低盐浸出的水,盐的量就越大。在这项研究中,观察到的现象也在淡水淋滤水的时间和数量都远低于盐水。通过使用不同的淋溶水的品质,不同盐去除率之间的三种治疗方法。例如,治疗出现大幅降低盐度由于使用石膏作为一个丰富的钙离子:EC相对快速的下降与其他治疗方法相比,如图3。这种行为与土壤颗粒的絮凝是一个独特的石膏应用时发生。这将提高土壤的渗透系数,从而帮助浸出可溶盐(奥斯特1982;Mahmoodabadi et al . 2012年)。新鲜水处理B还显示盐度急剧下降相比,盐水治疗c和s·k·古普塔和这些结果在协议i c·古普塔(28]。利用排水水浸盐水含钠的土壤可以促进有效可持续水资源管理在约旦河谷稀缺的淡水资源。

电导率的下降之间的关系(EC)和排水水(m³)gypsum-amended土壤(A)、淡水(B),盐水(C)治疗实验段数据所示3(一个),3 (b),3 (c)。欧共体排水水显著下降的前几周,观察,然后逐渐减少,直到最后是达到稳定状态的实验。gypsum-amended土壤、治疗,显示最快的盐浸出过程与新鲜相比,B,和生理盐水,C,水治疗。这可能是Na位移的增加的结果⁺由于增加了土壤溶液的Ca^{+ 2}修改和后续浸出的Na所取代⁺通过排干水(29日)(Mahmoodabadi et al . 2012年)。结果还表明,石膏治疗需要少量的水去除Na⁺从土壤相比,新鲜和盐水治疗。类似的趋势被报道为生理盐水和盐碱土壤(11,29日,32,33]。浸出过程的实验显示,容易渗透水的除盐大孔隙。然而,在浸出过程的后期,EC放缓作为浸出的下降水扩散通过毛细管作用作用。众所周知,土壤盐度的影响经历了变量之间的均衡条件通过浸出过程,直到完成均衡土壤溶液和土壤颗粒。的浸出实验,平衡过程进展非常缓慢,消耗大量的水和时间。发现一个完整的平衡需要无法联系到,因为部分平衡足以节省水和时间(34]。

3.3。排水水的化学成分的变化

有一个急剧下降的阳离子(Na⁺、钙^{+ 2},毫克^{+ 2})和氯⁻浓度对排水水在早期阶段的浸出实验,图4。这种减少恰逢降低SAR和ESP急剧下降,不断在土壤浸出过程(图表示5)。此外,也显示出了类似的趋势Cl^{- - - - - -}离子。从土壤中离子的浸出过程是依赖于离子半径,移动性和对土壤吸附亲和力粘贴。观察到的减少SAR和ESP可能造成Na⁺随着时间的推移减少土壤溶液。Na的替换⁺和K⁺通过Ca^{+ 2}可交换的网站可能导致最初增加可溶性Na⁺和K⁺然后随着时间的减少。

3.4。浸出实验后土壤物理和化学性质

收集土壤样本的化学性质显示下降后EC浸出试验(见表2)。土壤的PH值介于7.64和7.94之间的三个治疗深度。没有观察到sodicity发展的土壤淋溶浸出实验过程中或之后。有EC值急剧下降沿土壤剖面土壤浸出为所有治疗方法(a、B和C)。EC值降至111年,51岁,dS和44米⁻¹三种土壤的深度(0-50、50 - 100和100 - 150厘米)0.94 - -1.18,1.36 - -1.82,2.01 - -3.2 d m⁻¹,分别。一些低EC值附近的土壤表面的所有治疗都注意到因为灌溉造成的多余的浸出。因为盐非常移动、土壤EC值被土壤改良剂不仅影响还在土壤水的运动(Zhang et al . 2007年)。此外,由于向下淋溶的盐与灌溉或浸出加剧,部分盐应该向下移动。重要的阳离子分布的变化被发现可交换的Na急剧减少⁺和K⁺离子对所有治疗深度。结果表明,可交换的Na⁺浓度降至7.5,4.1,和3.8毫克当量/ 100克到1.59,0.98,和0.87毫克当量/ 100 g 0-50厘米深度和2.02,1.79,和1.48在50 - 100厘米深度和2.64,2.38,和1.65在100 - 150厘米深度治疗,B和C,分别显示在表中1和2。

此外,石膏的应用提供了一个现成的钙来源^{+ 2}离子土壤中的解决方案。它取代了可交换的Na⁺然后进入土壤溶液离子,随后增加了电解液浓度。电解质浓度的增加反过来增加渗透的可溶性盐浓度的解决方案(35]。因此,Ca^{+ 2}和毫克^{+ 2}浓度增加到6.7,6.3,和5.7毫克当量/ 100克到14.2,14.9,和15.0毫克当量/ 100 g,至13.4,13.5,13.6,12.3,12.6,和13.4 0-50,50 - 100,和100 - 150 cm的深度治疗,B和C,分别。这些结果支持了这样的观点,即Ca^{+ 2}离子替代钠⁺离子在土壤中,导致浸出Na⁺从土壤中离子。此外,这可以与高流动性的Na⁺和K⁺比Ca^{+ 2}和毫克^{+ 2}在浸出过程中土壤剖面(Mahmoodabadi et al . 2012年)。

3.5。统计分析的意义

统计分析的结果被指定使用三上标字母a, b或c,意义在95%置信上限(表测试2)。治疗之后,相同的字母没有显著不同。显著差异观察只有在土壤深度100 - 150厘米之间的不同治疗方法。

4所示。结论

它可以得出结论,利用农业排水水初步阶段的土壤浸出saline-sodic土壤可以节省超过60%的淡水土壤复垦的要求。同样地,添加石膏saline-sodic土壤浸出所需的水量减少。EC与gypsum-amended土壤相对的下降速度比其他疗法,因为土壤颗粒的絮凝,这是一个独特的现象与石膏的使用。大幅降低交换Na⁺和K⁺离子对所有的治疗和深度也注意到与可交换的Ca^{+ 2}和毫克^{+ 2}。总的来说,这三个研究浸出治疗方案能够减少土壤盐度小于4 dS m⁻¹这符合研究的目的。

然而,咸水资源的利用率,如微咸水和灌溉排水以及石膏申请浸出saline-sodic土壤,可以在约旦河谷是一个宝贵的实践,特别是淡水变得越来越宝贵的资源。此外,正如石膏是一种相对廉价的材料购买大量,这项研究指出,使用盐水和石膏可能是一个潜在的回收材料的大规模saline-sodic土壤干旱和半干旱的环境。还建议调查其他土壤回收材料,如磷酸(H₃阿宝₄)与saline-sodic土壤与盐水。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由更高的财务支持科学技术理事会(HCST)、安曼,约旦。研究者想延长他的感谢那些帮助,鼓励,或直接或间接地参与了这项研究。此外,作者想表达深深的感谢珍妮弗太太Benaggoun博士和克里斯托弗·奎因的编辑技能。

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