كيمياء تجريف الأراضي الرطبة

الأراضي الرطبة هي مناطق من الأرض مغمورة بالمياه بالقرب من كل من الأنظمة الأرضية والمائية . تتميز الأراضي الرطبة بتنوعها الكبير، وقد صنفتها هيئة الأسماك والحياة البرية الأمريكية إلى خمس فئات: "يشمل مصطلح الأراضي الرطبة مجموعة متنوعة من المناطق التي تندرج ضمن إحدى الفئات الخمس التالية: (1) المناطق التي تحتوي على نباتات مائية وتربة رطبة، مثل تلك المعروفة باسم المستنقعات والأهوار؛ (2) المناطق الخالية من النباتات المائية ولكن ذات التربة الرطبة - على سبيل المثال، السهول حيث قد يمنع التذبذب الشديد في مستوى المياه أو حركة الأمواج أو العكارة أو التركيز العالي للأملاح نمو النباتات المائية؛ (3) المناطق التي تحتوي على نباتات مائية ولكن ذات تربة غير رطبة، مثل حواف السدود أو الحفريات حيث استقرت النباتات المائية ولكن لم تتطور التربة الرطبة بعد؛ (4) المناطق الخالية من التربة ولكن التي تحتوي على نباتات مائية مثل الجزء المغطى بالأعشاب البحرية من الشواطئ الصخرية؛ و(5) الأراضي الرطبة الخالية من التربة والنباتات المائية، مثل الشواطئ الحصوية أو الشواطئ الصخرية الخالية من الغطاء النباتي". ^{[ 1 ]}

يمكن أيضاً تصنيف الأراضي الرطبة بناءً على الملوحة، وهو نوع من التصنيف يُشار إليه غالباً في الأبحاث التي تُعتبر فيها الملوحة عاملاً رئيسياً. وتُقاس هذه التصنيفات عادةً بأجزاء في الألف (ppt)، وتشمل المياه العذبة (0-2 جزء في الألف)، والمياه متوسطة الملوحة (2-10 جزء في الألف)، والمياه قليلة الملوحة (10-20 جزء في الألف)، والمياه المالحة (20+ جزء في الألف). ^{[ 7 ]}

تُعدّ الأراضي الرطبة مصادرَ للتنوع البيولوجي الهائل والفوائد البيئية الجمة. فهي تضمّ أنواعًا عديدة من النباتات والحيوانات، بما في ذلك 79 نوعًا مُصنّفًا على أنها نادرة أو مُهدّدة بالانقراض أو مُعرّضة للخطر . وتشير تقديرات هيئة الأسماك والحياة البرية الأمريكية إلى أن الأراضي الرطبة تُوفّر، بشكل مباشر وغير مباشر، ما يصل إلى 43% من الأنواع المُهدّدة بالانقراض أو المُعرّضة للخطر على المستوى الفيدرالي. ^{[ 4 ]} وتُعدّ الأراضي الرطبة المنتج الرئيسي للمحار، و50% من محصول الروبيان، و75% من صيد التماسيح، و27% من النفط والغاز، كما أنها تضمّ أكبر مُجمّع موانئ في الولايات المتحدة . ^{[ 8 ]} وتُقدّر قيمة الأراضي الرطبة في العالم بنحو 14.9 تريليون دولار أمريكي. ^{[ 3 ]}

تُساهم الأراضي الرطبة أيضًا في الحماية من الكوارث، بما في ذلك الحماية من ارتفاع منسوب المياه الناتج عن الأعاصير، إذ تُساعد هي والجزر الحاجزة على تخفيف قوة العاصفة قبل وصولها إلى اليابسة. كما تُساهم في تخفيف آثار الفيضانات، لقدرتها على استيعاب ما يُقارب ثلاثة أفدنة قدم (مليون جالون) من الماء. ^{[ 4 ]} ويُتيح هذا الاستيعاب المائي تجديد النظم البيئية، حيث تترسب الرواسب الجديدة. كما تُؤثر الفيضانات على عوامل أخرى مثل اختراق الجذور، ودرجة حرارة التربة، والتوصيل الكهربائي، والكثافة الظاهرية. ^{[ 2 ]}

تُعدّ الأراضي الرطبة فعّالة للغاية في إزالة الملوثات والمغذيات الزائدة نظرًا لبطء تدفق المياه وامتصاصها بواسطة الأنظمة النباتية. وقد ثبتت فعالية ذلك في إزالة النيتروجين والفوسفور، وهما المغذيان الرئيسيان المتسببان في "المناطق الميتة". ^{[ 6 ]} كما تُعدّ هذه الأراضي مصارف رئيسية للمعادن الثقيلة والكبريت. ^{[ 9 ]}

التجريف هو إزالة الرواسب وأنواع النباتات والحطام من المناطق المائية. غالبًا ما تتطلب الصناعة والسفر والترفيه في الأراضي الرطبة تجريف القنوات ، لا سيما من قبل شركات النفط للوصول إلى منصات الحفر البحرية عبر الأراضي الرطبة الساحلية. تتسع القنوات بعد تجريفها نتيجةً لزيادة تدفق المياه وفقدان الغطاء النباتي، مما يُسهم في زيادة التعرية. يُقدّر طول القنوات جنوب الممر المائي الساحلي بـ 7358 كيلومترًا (4572 ميلًا) ، باستثناء بحيرتي بونتشارترين وموريباس ، وأن القنوات وحدها تُسهم في فقدان 16.9 كيلومترًا مربعًا (6.53 ميلًا ^مربعًا ) من الأراضي سنويًا في الولايات المتحدة. ^{[ 10 ]} تتضمن التصاريح المطلوبة لتجريف هذه القنوات شروطًا لإعادة ملئها، ولكن هذه الشروط لا تُطبّق في كثير من الأحيان. رفع جون إم. باري ، برفقة مجموعة من المحامين وخبراء السواحل، دعوى قضائية عام 2013 ضد 97 شركة انتهكت تراخيصها في الأراضي الرطبة الساحلية في لويزيانا ردًا على ذلك. وقد وصفتها صحيفة نيويورك تايمز بأنها "أكثر الدعاوى البيئية طموحًا على الإطلاق" ، وواجهت مقاومة سياسية. ^{[ 11 ]}  

تُعدّ تفاعلات الأكسدة والاختزال ذات تأثير بالغ في كيمياء تربة الأراضي الرطبة، وذلك من خلال تحولات تشمل الكربون والكبريت والنيتروجين. ^{[ 2 ]} يؤثر وفرة الأكسجين على وفرة حالات الأكسدة والاختزال لكل مركب. تميل المناطق ذات وفرة الأكسجين العالية (الهوائية) إلى حالات الأكسدة، بينما تميل المناطق ذات وفرة الأكسجين المنخفضة (اللاهوائية) إلى حالات الاختزال. ينتج عن وفرة كل نوع نظام بيئي مختلف، حيث تتطلب نباتات وحيوانات الأراضي الرطبة ظروفًا محددة لنموها. تشمل تفاعلات الأكسدة والاختزال الشائعة في الأراضي الرطبة ما يلي: ^{[ 2 ]}

2NO ₃ ⁻ +10e ⁻ +12H ⁺ → N ₂ +6H ₂ O

SO₄ + ^8e⁻ + _9H⁺ ^→ HS⁻ + ^4H₂O_​​

CO ₂ +8e ⁻ +8H ⁺ → CH ₄ + 2H ₂ O

MnO ₂ +2e ⁻ +4H ⁺ → Mn ²⁺ + 2H ₂ O

Fe(OH) ₃ +e ⁻ +3H ⁺ → Fe ³⁺ + 3H ₂ O

يُتيح التجريف زيادة تدفق المياه عبر الأراضي الرطبة، مما يُؤدي إلى ظروف تربة لاهوائية. ^{[ 2 ]} يُؤدي هذا التغيير في نوع الأراضي الرطبة إلى تغيير في حالة الأكسدة والاختزال لكل تفاعل يحدث، وبالتالي يُغير أنواع النباتات المُتاحة للنمو في تلك المناطق. يُمكن استخدام جهد الأكسدة والاختزال (Eh) لتوضيح العلاقة بين تفاعلات الأكسدة والاختزال من خلال معادلة نرنست .

Eh=E ⁰ -(RT/nF)ln([Reductants] ^a /[Oxidants] ^b [H ⁺ ] ^b ) ^{[ 2 ]}

تسمح هذه المعادلة بحساب مدى التفاعل بين نظامي الأكسدة والاختزال ويمكن استخدامها، على سبيل المثال، لتحديد ما إذا كان تفاعل معين سيكتمل أم لا.

ومن الأمثلة على تغير هذه الظروف التي تؤثر على نظام الأراضي الرطبة تحول البيريت (FeS ₂ ) من خلال اختزال SO ₄ ²⁻ (الموجود في مياه البحر). ^{[ 2 ]}

Fe(OH) ₃ + e ⁻ + H ⁺ → Fe(OH) ₂ + H ₂ O

SO ₄ ²⁻ + 6e ⁻ + 8H ⁺ → S + 4H ₂ O

S + 2e ⁻ + 2H ⁺ → H ₂ S

Fe ( OH) _₂ + H₂S _→ FeS + _2H₂O

FeS + S → FeS ₂ (البيريت)

ثم يؤدي تصريف البيريت الناتج إلى أكسدته إلى هيدروكسيد الحديديك وحمض الكبريتيك ، مما يسبب حموضة شديدة (الأس الهيدروجيني < 2). ^{[ 2 ]}

يؤدي ازدياد الفيضانات إلى تسرب المياه المالحة ، مما يُغير مستويات الملوحة ويقضي على أنواع النباتات التي كانت تنمو عادةً، كما يُغير مستويات العناصر الغذائية والمواد الكيميائية والأكسجين المتاحة. وتؤدي زيادة الملوحة إلى ارتفاع تركيزات الكبريتات وانبعاثات الكبريتيد، وبالتالي زيادة السمية. كما ينتج عنها انخفاض في توافر الكبريت للنباتات نتيجة ترسبه مع المعادن النزرة مثل الزنك والنحاس. ^{[ 2 ]} ومن الأمثلة على ذلك كبريتيد الحديدوز (FeS)، الذي يُعطي تربة الأراضي الرطبة لونها الأسود، وهو مصدر الكبريت الموجود عادةً في رواسب الفحم. ^{[ 2 ]}

يؤدي الفيضان أيضًا إلى معادلة درجة حموضة الأراضي الرطبة الحمضية عمومًا (باستثناءات قليلة). تُثبّط الأراضي الرطبة الحمضية عملية نزع النيتروجين ، وبالتالي يسمح الفيضان بحدوثها، مما يؤدي إلى فقدان أشكال النيتروجين الغازية إلى الغلاف الجوي. ^{[ 2 ]} يوضح الشكل أدناه التفاعل:

5C₆H₁₂O₆ ₊ 24NO₃⁻ ₊ 24H⁺ ^→ 30CO₂ ₊ 12N₂ ₊ 42H₂O_​​​​^​_​​

تؤدي ظروف التربة اللاهوائية الناتجة عن الفيضانات إلى ترسب الفوسفات مع الحديديك والألومنيوم (التربة الحمضية) أو الكالسيوم والمغنيسيوم (التربة القاعدية)، مما يجعل الفوسفور غير متاح للامتصاص من قبل أنواع النباتات. ^{[ 2 ]}