T Глобальная водная инициатива провела четвертый ежегодный симпозиум по водным исследованиям для выпускников UVA 17 ноября 2021 года. И снова в модифицированном формате социального дистанцирования десять аспирантов представили свои работы. В этом году Мария Россетти, докторант гражданского строительства, выступила с главным докладом: «Оценка воздействия объема ливневых дождей на перенос азота в почвах с добавками биоуглерода для управления ливневым стоком». Почетного упоминания заслуживает Пракрут Кансара, который представил «Оценку процесса заполнения плотины Великого Эфиопского Возрождения и ее воздействия на страны нижнего течения». Мы поговорили с победителем этого года.
Ваша работа посвящена «исправлению» естественных почв. Можете ли вы объяснить, почему почва может нуждаться в поправке?
Ливневые стоки — это проблема количества и качества. Избыточные объемы и скорости могут вызвать затопление и эрозию. Движущаяся вода переносит такие загрязнители, как отложения и питательные вещества, в наши реки и озера. Обычно управляющие ливневыми водами используют передовые методы управления (BMP) для уменьшения воздействия ливневых стоков. К сожалению, эти общие подходы могут быть неэффективными в отношении управления питательными веществами, а структурные ЛМБ могут быть довольно дорогостоящими. Почва — это естественная смесь материалов: минералов, органических веществ, влаги и воздуха. Примешивая новый материал, мы можем изменить свойства почвы, связанные с ливневыми водами, и, надеюсь, уменьшить негативное воздействие ливневого стока, а стратегия улучшения почвы обычно намного дешевле, чем структурная BMP.
проблемы с текущим состоянием практики улучшения почвы для управления ливневыми водами?
Текущая практика заключается в использовании компоста в качестве улучшения почвы. Поправки к почве обычно используются около краев непроницаемых поверхностей, таких как здания и дороги. Поправки в компост в основном используются для улучшения гидрологии. То есть, когда с непроницаемой поверхности стекает большое количество воды, мы хотим, чтобы сток быстро просачивался в землю. Поправка к компосту улучшает скорость инфильтрации. Компостные поправки также используются там, где земля была нарушена, например, во время строительства или из-за эрозии, потому что поправки могут способствовать восстановлению растительного покрова. Здоровый покров растений имеет решающее значение для борьбы с эрозией. Но компост может вымывать большое количество питательных веществ. Таким образом, хотя добавка компоста помогает управлять количеством воды, она работает против нашей цели по качеству воды, создавая загрязнение питательными веществами.
Что такое biochar и почему он вас интересует как потенциальная альтернативная поправка для почвы?
Biochar — это средство высокопористый углеподобный материал, полученный путем пиролиза, при котором органический материал нагревается до высокой температуры в условиях низкого содержания кислорода. (См. Рисунок выше). Как я уже отмечал, при управлении ливневыми водами у нас есть два основных типа целей: управление количеством и качеством. Было продемонстрировано, что, как и компост, biochar способствует проникновению (так что это хорошо для количественной цели), но в отличие от компоста, biochar обладает некоторыми свойствами, которые могут удерживать азот, поэтому мы надеемся, что biochar будет вносить меньше азота, чем текущая практика внесения поправок. Считается, что, как и компост, biochar помогает в восстановлении растений. Таким образом, есть надежда, что он может обеспечить аналогичные преимущества существующей практики без отрицательного воздействия существующей практики (компоста), которая добавляет значительные питательные вещества в наши водные пути.
Biochar также имеет другие потенциальные преимущества для устойчивости. Biochar может замедлять круговорот углерода как средство связывания углерода в почве. Это считается подходом с отрицательными выбросами углерода. Это стабильно. Это также экологически чистый продукт, который можно производить из лесных остатков и других твердых биологических веществ.
В вашем исследовании сравнивалась эффективность биоугля и компоста в качестве удобрений в почве в лаборатории. Можете ли вы описать свою экспериментальную установку?
Для сравнения производительности мы провели лабораторное исследование колонки. Я построил 8 грунтовых столбов из прозрачных труб из ПВХ и создал четыре различных грунтовых смеси (см. Ниже). Каждый тип почвенной смеси загружали в две колонки. Один тип смеси представлял собой просто чистую дорожную почву (то есть естественную почву без поправок). Две смеси представляли собой дорожную почву с добавлением 4% биоугля по массе, а другую смесь представляли собой дорожную почву с добавлением 30% компоста по объему. Эти две смеси рекомендуются для каждого типа поправок. Четвертая смесь (дорожная почва с 30% биоугля по объему) должна была дать прямое сравнение с соотношением компостной смеси. Чтобы смоделировать ливневой сток, просачивающийся через грунт проезжей части, я затем добавил синтетическую ливневую воду в верхнюю часть столбов почвы и собрал воду, которая стекала из столбов. Синтетические ливневые воды содержали азот и фосфор в качестве типичных загрязнителей питательных веществ. Я также проверил влияние штормов разного размера. Мы ожидаем, что с изменением климата большие штормы будут происходить чаще, и важно предвидеть, как поправки на почву в качестве BMP будут работать в будущих климатических условиях с более сильными штормами. После того, как я собрал сточные воды из разных типов почв и штормов разного размера, я проанализировал общие концентрации растворенного азота в образовавшихся сточных водах.
Каковы были основные результаты ваших экспериментов?
Ключ Выводы для обоих размеров шторма заключаются в том, что стоки из почвенных столбов, дополненных компостом, имели самые высокие концентрации азота. Во всех случаях штормов почвы с внесенными биуглеродом производили сточные воды с концентрациями азота, которые были аналогичны или меньше, чем сточные воды из неизмененной почвы. Хотя biochar, похоже, не уменьшал экспорт азота по сравнению с естественной почвой, он не вносил лишних питательных веществ. Поскольку biochar обеспечит гидрологические преимущества, ожидаемые от поправки на почву, это исследование демонстрирует захватывающий потенциал поправок biochar по сравнению с обычно используемой поправкой на компост.
Какие еще аспекты поправок на почву вы будете изучать?
После применения дороги соли зимой, чрезвычайно высокая концентрация солей может быть обнаружена в стоках с проезжей части дороги. Это солевое загрязнение не только отрицательно влияет на экосистемы, но и может повлиять на методы управления ливневыми водами, включая улучшение почвы в придорожных почвах. Таким образом, я планирую дополнительные эксперименты, в которых некоторые синтетические ливневые воды будут содержать высокую концентрацию соли. Кроме того, я изучу влияние различной скорости осушения почвы, которая может существенно повлиять на химическую динамику. Поскольку в поле поправки к почве вносятся путем центробежного заделывания их в верхние слои почвы, скорость, с которой вода может перемещаться через измененные почвы, может контролироваться скоростью потока через низколежащие почвы. Я изменю свои эксперименты с почвенным столбом, чтобы смоделировать ситуации, когда почвенный столб осушается с разной скоростью.
Каким вы видите будущее для добавок с биочагом для управления ливневыми водами?
Я действительно надеюсь, что мы увидим отход из компоста для других добавок, которые не увеличивают загрязнение питательными веществами. У Biochar есть большой потенциал в качестве замены.
Нам все еще нужны дополнительные исследования, чтобы увидеть, как biochar работает с другими распространенными загрязнителями ливневых вод, такими как масло и жир, и продемонстрировать эффективность в полевых исследованиях. Также необходимо провести анализ жизненного цикла, чтобы быть уверенным, что переход к системам на основе биоугля не приведет к непредвиденным последствиям где-нибудь в цепочке производства, распределения и использования. Чтобы получить одобрение регулирующих органов и одобрение заинтересованных сторон, потребуется некоторое время. Но изменение уже началось. Biochar распространяется через крупных интернет-маркетологов и хозяйственных магазинов, а некоторые производители нацелены на приложения для ливневых вод.
Ответы на вопросы Марии Россетти, победительницы конкурса 2021 года. GWI Graduate Water Symposium впервые появился в Global Water Blog.
