Ученые Южно-Уральского государственного университета и Чжэцзянского университета (Китай) испытали в пустыне Миньцин новый тип барьеров для снижения ветровой эрозии. Вместо привычных соломенных клеточных конструкций исследователи предложили формировать из местного песка треугольные гребни и укреплять их с помощью ферментов, которые формируют на поверхности песка прочную карбонатную корку. Такие барьеры снижают приземную скорость ветра и способствуют накоплению песка внутри ячеек. Результаты исследования опубликованы в журнале Soil & Tillage Research.
Ветровая эрозия — одна из главных причин опустынивания в засушливых регионах. Пыльные бури разрушают почву, снижают ее плодородие и угрожают дорогам, инфраструктуре и здоровью людей. Для закрепления песков обычно используют соломенные клеточные барьеры: пучки соломы укладывают на поверхности в виде сетки и частично вдавливают в грунт. Этот способ недорог и прост, однако солома постепенно разрушается от ветра, ультрафиолета и воздействия микроорганизмов. В результате барьеры теряют эффективность и нуждаются в регулярном обслуживании. Международный коллектив ученых предложил альтернативу — барьеры из песка, укрепленного методом ферментативного осаждения карбоната кальция.
Технология основана на ферментативном осаждении карбоната кальция (EICP). Из соевых бобов получают фермент уреазу, смешивают с раствором мочевины и хлорида кальция. Фермент расщепляет мочевину, ионы кальция соединяются с карбонатом — образуется карбонат кальция, который склеивает песчинки в прочную корку. В отличие от схожего микробиологического метода, EICP не требует применения живых бактерий. Поэтому процесс меньше зависит от условий, влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов.
Полевые эксперименты ученые проводили в пустыне Миньцинь (Китай) — одном из самых опустыненных районов страны. Климат там крайне засушливый: среднегодовое количество осадков — около 134 мм, испарение почти в 20 раз выше, а сильные ветры (более 10 м/с) дуют более 30 дней в году. Поверхность устлана рыхлым эоловым песком.
Исследователи формировали барьеры прямо на месте. Из песка насыпали треугольные гребни высотой 10 см и шириной основания 30 см, а затем обрабатывали ферментативным раствором по технологии EICP. Состав и соотношение компонентов подбирали экспериментально. При оптимальных параметрах образовывалась непрерывная и механически прочная корка: сопротивление пенетрации достигало 547 кПа, а через 50 дней оставалось выше 310 кПа.
Через 50 дней естественного ветрового воздействия внутри ячеек, образованных барьерами. Чем прочнее была поверхность гребней, тем больше песка оседало между ними. Дополнительное закрепление песка внутри ячеек усиливало этот эффект, а также меняло температуру и влажность в приземном слое. При уменьшении расстояния между барьерами формировался более протяженный участок со сниженной скоростью ветра, поэтому средняя эффективность защиты от ветра возрастала.
Электронная микроскопия показала, что прочность барьеров зависит от того, насколько равномерно и непрерывно карбонат кальция образуется и оседает между песчинками. Именно эти минеральные соединения формируют цементирующую сеть, которая удерживает песок. Повышение концентрации раствора и объема распыления увеличивало содержание карбоната кальция и толщину защитной корки. Однако при высоких концентрациях дальнейшее усиление эффекта замедлялось. Добавление хлорида магния улучшало структуру цементирующей сети только при умеренной концентрации.
Исследование выполнено при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.
