알칼리 토양

Alkali soil
알칼리 토양
알칼리성 토양
Rice Field.jpg
알칼리 토양에서의 벼 재배 / 논밭
점토 토양
주요 광물탄산나트륨 및 중탄산나트륨
주요공정라임 연화
pH> 8.5

알칼리, 즉 알칼리성 토양은 pH(> 8.5)가 높은 점토질이며, 토양구조가 열악하고 침투능력이 낮다. 그들은 종종 0.5미터에서 1미터 깊이의 단단한 석회 층을 가진다. 알칼리 토양은 주로 탄산나트륨이 지배적으로 존재하기 때문에 토양이 부풀어[1] 오르고 명확화/정착이 어렵다. 그들은 나트륨이 속하는 알칼리 금속 원소에서 이름을 따온 것인데, 이것은 기본성을 유도할 수 있다. 때때로 이러한 토양들을 알칼리성 탄산염 토양이라고도 한다.
알칼리성 토양은 기본이지만 모든 기본 토양이 알칼리성은 아니다.

원인들

토양 알칼리성의 원인은 자연적이거나 인공적일 수 있다.

  1. 자연적인 원인은 풍화시 탄산나트륨(NaCO23)과 중탄산나트륨(NaHCO3)을 생산하는 토양 미네랄이 존재하기 때문이다.
  2. 석탄화력 보일러/발전소는 석회석이 풍부한 석탄이나 리나이트를 사용할 때 산화칼슘이 함유된 재를 생산한다. CaO는 물에 쉽게 용해되어 슬레이드 석회인 Ca(OH)를 형성하고 강/2관개수로 빗물을 운반한다. 석회 연화과정은 Ca와2+ Mg2+ 이온을 침전시켜 물속의 경도를 제거하고 강물에 함유된 중탄산나트륨을 탄산나트륨으로 변환시킨다.[2] 탄산나트륨(워싱 소다)은 물 속에 남아 있는 Ca2+ 및 Mg와 추가로2+ 반응하여 총 경도를 제거/급진시킨다. 또한 재에 존재하는 수용성 나트륨 염은 물의 나트륨 함량을 강화한다. 전 세계 석탄 소비량은 2011년 77억t이었다.[citation needed] 따라서 강물은 Ca와2+ Mg2+ 이온이 없고 석탄 화력 보일러에 의해 Na를+ 강화된다.[clarification needed]
  3. 탄산나트륨, 중탄산나트륨(베이킹 소다), 황산나트륨, 수산화나트륨(가성소다), 차아염소산나트륨(블러킹 파우더) 등 산업용과 국내용 용도에 많은 나트륨 염분이 사용된다. 이 소금들은 주로 염화나트륨(일반 소금)에서 생산된다. 이러한 소금에 함유된 모든 나트륨은 생산 공정이나 소비 과정에서 강/지하수로 유입되어 물의 소량성을 향상시킨다. 2010년 염화나트륨의 전 세계 소비량은 2억 7천만 톤이다. 이것은 거대한 아마존 강의 염하중과 거의 같다. 인간이 만든 나트륨 염의 기여도는 모든 강의 총 염하중 거의 7%이다. 중국, 인도, 이집트, 파키스탄, 서아시아, 호주, 미국 서부 등지에 위치한 집중 재배 하천 유역의 하류에서 각종 증산과 증발손실을 만난 뒤 남은 물에 염분이 축적돼 염하중 문제가 악화된다.[3]
  4. 농경지/육지 질량 외에 나트륨 염을 만드는 또 다른 원천은 해수 냉각탑 근처에 해안에 위치한 다양한 산업에서 발생하는 폐열을 소멸시키기 위해 바닷물을 사용한다. 정유공장, 석유화학단지, 비료공장, 화학공장, 원자력발전소, 중앙집중형 HVAC시스템 등에 대용량 냉각탑이 설치돼 있다. 냉각탑에서 방출되는 드리프트/미세방울은 거의 6%의 염화 나트륨을 함유하고 있으며, 이 염화 나트륨은 인근 지역에 퇴적된다. 이 문제는 해수 기반 습식 냉각탑에 대한 최적의 산업 규범에 대한 표류 배출량을 최소화하기 위해 국가 오염 통제 규범이 부과되지 않거나 이행되지 않는 경우 악화된다.[4]
  5. 인공적인 원인은 상대적으로 중탄산나트륨의 비율이 높고 칼슘과 마그네슘이 적은 관개(표면 또는 지하수)에 연화된 물을 사용하는 것이다.[1]

농업문제

알칼리성 토양은 농업 생산에 투입하기 어렵다. 침투력이 낮아 비수는 토양에 쉽게 정체되고 건조한 기간에는 많은 관개수와 좋은 배수 없이는 경작이 거의 불가능하다. 농업은 지표수 수돗물(예: 쌀, 풀)에 내성이 있는 작물로 제한되며 생산성은 낮다.

화학

토양 알칼리성은 토양 입자의 자연 풍화 결과 또는 관개 및/또는 홍수에 의해 유입된 토양에 탄산나트륨(NaCO23) 또는 중탄산나트륨(NaHCO3)이 존재하는 것과 관련이 있다.[5]

이 소금은 수용성이 매우 높으며, 수화를 거치면 다음과 같이 분리된다.

NaCO
2
3 → 2Na+
 + CO2−
3

탄산 음이온 CO는32– 양성자를 수용하는 약한 염기여서 물에 가수분해하여 중탄산염 이온과 히드록실 이온을 공급한다.

CO2−
3 + H
2O → HCO−
3 + OH−

다음으로 탄산과 히드록실(hydroxyl을 제공한다.

HCO−
3 + H
2O → H
2CO
3 + OH−

탄산-중탄산염-이산화 탄소의 평형은 탄산수를 참조하라.

위의 반응은 탄산칼슘의 용해성과 유사하며, 두 염의 용해성이 유일한 차이점이다. NaCO는23 CaCO보다3 약 78,000배 더 많은 양의 CO를32– 용해할 수 있으므로, 따라서 pH가 8.5보다 높은 값으로 상승하게 되는데, 이는 탄산칼슘과 용해된 이산화탄소 사이의 평형이 토양 용액에서 평형 상태일 때 최대 달성 가능한 pH를 상회하는 것이다.

참고:
  • 물(HO2)은 부분적으로 HO3+(하이드로늄)와 OH–(하이드록실) 이온으로 분리된다. 이온 HO는3+ 양전하(+)를 가지며, 그 농도는 보통 [H+]로 표기된다. 히드록실 이온 OH는– 음전하(–)를 가지며 농도는 [OH–]로 표기된다.
  • 순수한 물에서 25°C에서 물의 분해 상수(Kw)는 10이다−14.
    Kw = [H+] × [OH–]이므로 HO와3+ OH– 이온의 농도는 모두 10M-7(매우 작은 농도)이다.
  • 중성수 pH에서는 HO3+ 농도의 음수 소수 로그로서 7이다. 마찬가지로 pOH도 7이다. 각 단위의 pH 감소는 HO3+ 농도가 10배 증가함을 나타낸다. 마찬가지로, 각 단위의 pH 증가는 OH– 농도의 10배 증가를 나타낸다.
  • 용해된 염분이 있는 물에서는 HO와3+ OH– 이온의 농도가 변할 수 있지만, 그 합계는 일정하게 유지된다. 즉, 7 + 7 = 14이다. 따라서 pH 7은 pOH 7과 pH 9와 pOH 5에 해당한다.
  • 공식적으로 이온 농도를 화학적 활동으로 표현하는 것이 선호되지만, 이것은 pH의 가치에 거의 영향을 미치지 않는다.
  • HO3+ 이온이 초과된 물은 산(pH < 7)이라고 하고, OH– 이온이 초과된 물은 알칼리성 또는 오히려 기초(pH > 7)라고 한다. pH < 4를 가진 토양 수분은 매우 산성이라고 하며 pH > 10을 매우 알칼리성(기본)이라고 한다.

HCO23(탄소산)는 불안정하며 HO2(물)와 CO2(이산화 탄소 가스, 대기 중으로 빠져나간다)를 생성한다. 이것은 수용성 수산화나트륨의 형태로 남아 있는 알칼리성(또는 오히려 기초성)과 높은 pH 또는 낮은 pOH를 설명한다.

용해된 탄산나트륨이 모두 위의 화학반응을 겪는 것은 아니다. 남은 탄산나트륨, 즉 CO32− 이온의 존재는 CO32− 농도와 Ca2+ 농도의 산물이 허용 한도를 초과하기 때문에 고체 탄산칼슘(limstone)처럼 CaCO3(약간 용해성)가 침전하게 된다. 따라서 칼슘 이온 Ca는2+ 고정된다.

점토 입자 표면에 흡착된 이온과 토양 수분 내 이온 간의 나트륨 교환 과정

풍부한 Na+ 이온의 토양 용액에 있어서 확고한 광물과 그 존재와 소금 이온의 강수량이 확산 흡착 존(DAZ, 더 일반적으로 또한 diffuse 이중 계층(DDL라고 불리는)또는 전기 이중층(편집 결정 리스트)에서 와 더 Na+ 흡착하다에 그들의 표면을 따라 부정적인 전기 전하를 가진 토기는 흙의 입자, 원인이 됩니다.resp그림 위에 표시)[6] 및 그 대가로 이전에 흡착된 Ca를2+ 방출하고, 이 Ca를 동일한 그림에서 표시한 대로 교환 가능한 나트륨 비율(ESP)이 증가한다.

Na는+ Ca보다2+ 이동성이 좋고 전하가 작아 DDL의 두께는 나트륨 이온이 많이 차지할수록 증가한다. DDL 두께는 높은 농도로 인해 DDL 구역이 수축한다는 점에서 토양 수분 내 이온 총 농도의 영향을 받는다.

ESP(> 16)가 상당히 많은 점토 입자는 비살린 토양 습기와 접촉하여 DDL 영역이 확장되고 토양이 부풀어 오른다(확산).[6] 그 현상은 토양 구조의 악화를 초래하고, 특히 윗층의 지각 형성과 압축을 초래한다. 따라서 토양과 토양 내 물의 침투능력은 감소하는 반면, 지표수 로깅이나 지표유출량은 증가한다. 묘목의 출현과 농작물 생산은 심각한 영향을 받는다.

참고:
  • 식염수 조건에서는 토양 용액의 많은 이온이 토양의 부기를 상쇄하기 때문에 식염수 토양에는 보통 좋지 않은 물리적 특성이 없다. 알칼리성 토양은 염도가 적을수록 알칼리성 문제가 심하기 때문에 원칙적으로 염분이 아니다.

알칼리성 문제는 황토, 실토 또는 모래 토양보다 점토 토양에서 더 뚜렷하게 나타난다. 몬모릴로나이트나 스몰테이트(swelling clays)를 함유한 점토 토양은 일라이트나 카올리나이트의 점토 토양보다 알칼리성 문제를 더 많이 겪는다. 그 이유는 이전 유형의 점토가 더 큰 특정 표면적(즉, 토양 입자의 표면적을 부피로 나눈 것)과 더 높은 양이온 교환 능력(CEC)을 가지고 있기 때문이다.

참고:
  • 거의 100%의 ESP(즉, 거의 완전 포화 나트륨)를 가진 특정 점토 광물을 벤토나이트라고 하는데, 이것은 토목 공학에서 물이 스며들지 않도록 예를 들어 댐 아래의 토양에 불침투성 커튼을 설치하는 데 사용된다.

알칼리성 위험에 대한 관개수의 품질은 다음 두 가지 지수로 표현된다.

  1. 나트륨 흡착비(SAR,[5] ) 나트륨 흡착비 계산식은 다음과 같다.
    SAR = [Na+2+]/[Ca/2 + Mg2+/2] = {Na+/23}/{Ca2+/40 + Mg2+/24}
    여기서: [ ]는 밀리큐/리터(간단한 meq/L)의 농도를 나타내며, { }은(는) mg/L의 농도를 나타낸다. mg(마그네슘)가 ca(칼슘)와 비슷한 역할을 하는 것으로 생각된다. SAR은 20보다 훨씬 높거나 10보다 낮지 않아야 한다. 토양이 일정 SAR 값을 가진 물에 얼마 동안 노출되었을 때 ESP 값은 SAR 값과 거의 같아지는 경향이 있다.
  2. 잔류 탄산나트륨(RSC, meq/l):[5] 탄산나트륨 잔류량을 계산하는 공식은 다음과 같다.
    RSC = [HCO3– + CO32–] − [Ca2+ + Mg2+]
    = {HCO3–/61 + CO32–/30} − {Ca2+/20 + Mg2+/12}

    이 값은 1보다 크게 높으면 안 되며 0.5보다 작으면 안 된다.

    위의 표현은 대부분의 탄산가스가 용해되는 형태인 중탄산염(HCO3–)의 존재를 인식한다.

SAR과 RSC를 계산할 때, 현장의 침출계수를 고려할 수 있는 수질을 고려해야 한다.[7] 또한 식물 뿌리 구역에서 용해된 CO의2 부분 압력은 현장 물에 용해된 형태로 존재하는 칼슘을 결정한다. USDA는 물의 탄산음료 계산을 위해 수정된 SAR을[8] 따른다.

토양개량

고체 CaCO를3 함유한 알칼리성 토양은 잔디 배양액, 유기농 퇴비, 폐모/ 깃털, 유기 폐기물, 폐지, 거부 레몬/오렌지 등으로 매립할 수 있으며, 많은 산성화 물질(유기농 또는 유기물질)이 토양에 편입되도록 하고, CO2 가스를 방출하여 현장 물에 녹인 Ca를 강화할 수 있다.[9] 깊은 쟁기질을 하고 석회질 부토를 맨 위 토양에 통합하는 것도 도움이 된다.

여러 번 염분이 맨 위 토양으로 이동하는 것은 지표원보다는 지하수원에서 일어난다.[10] 지하수탁자가 높고 육지가 일사량이 많은 곳에서는 모세관 작용으로 지하수가 지표면으로 스며들어 증발해 토양의 상층에 용존 염분을 남긴다. 지하수에 높은 염분이 함유된 곳은 급성 염분 문제로 이어진다. 이 문제는 땅에 숭어를 바름으로써 줄일 수 있다. 여름철에 다세대 주택이나 그늘막을 이용하여 채소/크롭을 재배하는 것도 토양 염도를 완화하고 수분/토양 수분을 보존하는 것이 좋다. 다세대 주택은 열대 국가의 강렬한 여름 태양 복사를 걸러내 수압과 나뭇잎 화상으로부터 식물을 구한다.

지하수질이 알칼리성/염수질이 아니고 지하수 테이블이 높은 곳에서는 리프트 관개 등의 도움을 받아 1년 내내 농경지 나무/영구 작물을 재배하는 데 땅을 사용함으로써 토양에 축적된 염분을 방지할 수 있다. 필요한 침출수로 지하수를 사용할 때 토양에 있는 염분이 쌓이지 않을 것이다.

농작물을 자른 직후 밭을 갈는 것도 여름철에 염분이 상층토양으로 이동하는 것을 막고 토양 수분을 보존하는 것이 좋다. 이것은 물이 토양 표면에 도달하는 것을 막기 위해 토양의 모세관 모공을 깨기 위해 행해진다.

연간 강수량이 높은 지역(100cm 이상)의 점토 토양은 적절한 빗물 채취 방법을 따를 경우 토양 염분을 편안한 수준으로 감소/유출할 수 있기 때문에 일반적으로 높은 알칼리성을 겪지 않는다. 일부 농업지역에서는 지표면 아래 "타일 라인"을 사용하여 배수 및 침출 염류를 용이하게 한다. 지속적으로 드립 관개를 하면 밭에서 침출수/배수가 없을 때 알칼리 토양이 형성될 수 있다.

또한 피라이트나 값싼 알룸이나 황산알루미늄과 같은 산성화 미네랄을 첨가함으로써 알칼리성 토양을 매립하는 것도 가능하다.

또는 석고(황산칼슘, CaSO
4 · 2 HO
2)를 Ca2+ 이온의 공급원으로 응용해 교환단지 내 나트륨을 대체할 수도 있다.[9] 석고 또한 탄산나트륨과 반응하여 중성염인 황산나트륨으로 전환되는데, 황산나트륨은 높은 pH에 기여하지 않는다. 지하까지 자연 배수가 충분해야 하며, 그렇지 않으면 인공 지표면 아래 배수 시스템이 있어야 하며, 이를 통해 과도한 나트륨을 토양 프로파일을 통해 침출할 수 있어야 한다.

염화칼슘은 알칼리 토양을 매립하는 데도 쓰인다. CaCl은2 NaCO를23 CaCO를3 촉진하는 NaCl로 변환한다. NaCl은 물이 새어 없어진다. 질산칼슘은 침출수에 NaNO가3 들어가는 등 비슷한 효과가 있다. 사용후산(HCl, HSO24 등)도 토양/수분의 과잉 NaCO를23 줄이는 데 사용할 수 있다.

요소들이 농부들에게 저렴하게 이용될 수 있게 하는 곳에서는, 주로 토양 알칼리성/염도를 줄이는 데도 사용된다.[11] 강한 흡착 양이온인 요소수분해에서 생성되는 암모늄(NH+
4) 양이온은 토양 구조에서 약하게 흡착된 나+ 양이온과 교환되며 Na가+ 물로 방출된다. 따라서 알칼리 토양은 다른 토양에 비해 흡착/소모가 더 많다.

토양을 완전히 매립하려면 엄청나게 많은 양의 수정이 필요하다. 따라서 대부분의 노력은 토양 구조의 악화에 가장 민감하기 때문에 (토양의 처음 10 cm를 말한다)[9] 꼭대기 층만을 개선하는 데 집중된다. 그러나 이 치료법은 몇 년 안에 반복될 필요가 있다. 나무/식물은 그라비트로피즘을 따른다. 좋은 비알칼리 토양에 깊이 60m 이상 깊이가 있는 뿌리 깊은 나무의 경우 알칼리 토양에서 살아남기 어렵다.

질 좋은 물이 부족한 관개(지하수나 지표수)를 자제하는 것이 중요할 것이다. 바이테쿠르에서는 칼슘과 탄산마그네슘을 탄산음료 토양에 용해시키기 위해 관개수에 타르타르산 같은 자연 발생 킬레이트제를 첨가하는 것이 제안되었다.[12]

탄산나트륨을 줄이는 한 가지 방법은 유리나 소금, 바리야 식물을 배양하는 것이다.[13] 이 식물들은 알칼리 토양에서 흡수하는 탄산나트륨을 조직으로 분리한다. 이들 식물의 재는 에너지 집약도가 높은 일반 소금에서 추출한 탄산나트륨 대신 상업적으로 추출해 사용할 수 있는 탄산나트륨을 다량 함유하고 있다. 따라서 알칼리 땅의 열화는 식량의 원천, 바이오매스 연료, 소다재 및 화분 등의 원료 등의 역할을 할 수 있는 바릴라 식물을 배양하여 확인할 수 있다.

식염수 토양 침출

식염수 토양도 대부분 탄산음료(소금은 염화나트륨이 주를 이루지만 pH가 그리 높거나 침투율이 좋지 않다. Na+ 이온이 쉽게 제거되기 때문에 침출수는 보통 알칼리 토양으로 변환되지 않는다. 따라서 식염수(소듐) 토양은 대부분 석고 재배를 위해 석고 적용이 필요하지 않다.[14]

참고 항목

참조

  1. ^ a b 미국 오레곤 주립대학 관개수질 관리 2012-10-04.
  2. ^ "Precipitation softening, GE Power & Water". Retrieved 11 October 2012.
  3. ^ J. Keller, A. Keller and G. Davids. "River basin development phases and implications of closure" (PDF). Archived from the original (PDF) on 19 October 2013. Retrieved 25 August 2012.
  4. ^ "Wet Cooling Tower Guidance For Particulate Matter, Environment Canada". Retrieved 2013-01-29.
  5. ^ a b c US Sality Lab 핸드북 60
  6. ^ a b G.H. 볼트(에드), 1981. 토양 화학: A. 기본 요소. 볼 5a, 엘스비에, 암스테르담, 네덜란드
  7. ^ "Chapter 11: Water quality". Salinity management handbook (Report). Queensland Government. 19 December 2013. p. 85.
  8. ^ Lesch S. M. and SuarezD. L. "A short note on calculating the adjusted SAR index". Retrieved 5 October 2012.
  9. ^ a b c 하브라, 1996년. 토양 염분과 수질. 284ppm. 옥스퍼드 & IBH 출판사 Pvt. Ltd, New Delhi(남아시아판) 및 A.A. 발케마 유이트게버스 BC, 로테르담 (다른 곳에서의 편집) ISBN 81-204-1049-1
  10. ^ "Salinity Risk Assessment for the Queensland Murray-Darling Region (see appendix-2), Queensland Department of Environment and Resource Management" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-04-10. Retrieved 29 October 2012.
  11. ^ I.P. Abrol, J.S.P. Yadav and F.I. Massoud. "Salt-Affected Soils and their Management, refer para 4.7". Retrieved 23 December 2012.
  12. ^ 애쉬워스, J. 2007. 킬레이트화제가 토양 소량성에 미치는 영향. 토양 및 침전물 오염 16: 301-312
  13. ^ Farooq Ahmad. "Karnal / Kallar grass cultivation in sodic alkaline soils in Pakistan" (PDF). Retrieved 22 January 2013.
  14. ^ 차쿠페 사례 연구