POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA

INSTYTUT INZYNIERII ŚRODOWISKA I ROLNICTWA

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Temat ćwiczenia: Właściwości wodne gleb: wilgotność gleby, krzywa pF

Numer ćwiczenia: 7

Laboratorium z przedmiotu:

Gleboznawstwo

KOD:                

Opracowali:

dr Henryk Jaros

mgr inż. Sławomir Roj-Rojewski

1999

Instytut Inżynierii Środowiska i Rolnictwa

Katedra Ochrony Gleby i Powierzchni Ziemi

KOD:

Zawartość Instrukcji:

1. Wprowadzenie

2. Cel

3. Zakres ćwiczeń laboratoryjnych

4. Przebieg ćwiczenia

5. Wymagania BHP

6. Literatura

1. Wprowadzenie

Wilgotność gleby

Wilgotność gleby określa zawartość wody w glebie. Wyróżnia się wilgotność wagową i objętościową. Wilgotność wagowa to stosunek masy wody zawartej w próbce gleby do masy gleby suchej tzn. wysuszonej w 105⁰C. Wyraża się ją w procentach wagowych.

(%)

gdzie:

m_w - masa wody zawartej w glebie,

m_s - masa gleby wysuszonej w 105⁰C.

Wilgotność objętościowa określa stosunek objętości wody w glebie do objętości całej próbki gleby. Wyraża się ją w procentach objętościowych.

(%)

gdzie:

V_w - objętość wody w glebie,

V - objętość całej gleby.

Pomiary wilgotności gleby dzieli się na dwie zasadnicze grupy:

• metody bezpośrednie,

• metody pośrednie.

Metody bezpośrednie polegają na obliczaniu wilgotności gleby z różnicy mas próbki glebowej po pobraniu i po wysuszeniu.

Metody pośrednie polegają zaś na wykorzystaniu ustalonych związków pomiędzy wilgotnością gleby a różnymi właściwościami fizycznymi gleby.

Metody bezpośrednie oznaczania wilgotności gleby

1. Metoda suszarkowa

Jest powszechnie stosowana z uwagi na dokładność wyników i uznana za metodę wzorcową. Pobraną próbkę gleby waży się, a następnie suszy w temperaturze 105⁰C do uzyskania stałej masy.

Wilgotność oblicza się ze wzoru:

%

gdzie:

a - masa próbki mokrej,

b - masa próbki suchej,

c - tara.

Jeśli pobierane są próbki o znanej objętości z zachowaniem naturalnej struktury, wówczas oblicza się wilgotność objętościową:

[g⋅cm^-3]

gdzie:

V - objętość próbki.

2. Metoda alkoholowa

Jest to metoda, której przeznaczeniem było oznaczania wilgotności bezpośrednio w terenie. Zaproponował ją Bouyoucos z przeznaczeniem dla gleb o niewielkiej zawartości substancji organicznej i niewielkiej wilgotności. Próbę glebową nasyca się alkoholem i podpala. Usuwana jest woda przez jej szybkie odparowanie.

3. Metoda prasowania

Polega na wyciśnięciu wody z próbki glebowej wysyconej do granicy plastyczności. Zważoną wilgotną próbkę poddaje się ciśnieniu 66⋅10³hPa.

Metody pośrednie oznaczania wilgotności gleby

1. Metoda konduktometryczna

W metodzie tej wykorzystuje się zależność konduktancji lub jej odwrotności, czyli rezystancji, z wilgotnością gleby. Mierzona jest więc tu „oporność gleby”.

2. Metoda TDR

Polega na wykorzystaniu zależności pomiędzy wilgotnością gleby a wielkością współczynnika tłumienia energii wiązki mikrofal. Przyrząd pomiarowy składa się z generatora prądu wysokiej częstotliwości oraz dwóch elementów roboczych, takich jak emitor i odbiornik. Im więcej wody jest w glebie, tym prędkość rezonansu jest mniejsza.

3. Metoda kolorymetryczna

Polega na pomiarze zmian zabarwienia ekstraktu glebowego w zależności od stopnia uwodnienia ekstraktu. Ekstraktem jest mieszanina bezwodnego chlorku kobaltowego z acetonem. Mieszanina ta ma barwę niebieską, lecz wraz ze wzrostem uwilgotnienia zmienia się w kierunku czerwieni. Zmianie zabarwienia przypisana jest zmiana zawartości wody w próbce i ekstrakcie.

4. Metoda stechiometryczna

Wykorzystany jest w tej metodzie przebieg reakcji chemicznych zachodzących wskutek łączenia się wody z określoną substancją chemiczną. Miernikiem może być ilość wydzielającego się gazu w trakcie przebiegu reakcji chemicznej.

Przykładem może być reakcja wody z karbidem lub wodorkiem wapnia

CaC₂ + 2H₂O
Ca(OH)₂ + C₂H₂

CaH₂ + 2H₂O
Ca(OH)₂ + 2H₂

Ilość wydzielonego acetylenu lub wodoru ściśle określa ilość wody, która wzięła udział w reakcji.

5. Metoda tensjometryczna

Jest ona szeroko rozpowszechniona i wykorzystuje zależność pomiędzy wilgotnością gleby i siłą ssącą. Woda zawarta w układzie poprzez porowaty sączek posiada kontakt z wodą glebową. Ponieważ gleba nie jest całkowicie wysycona wodą, powstaje różnica potencjałów i woda jest pobierana z tensjometru, wytwarzając określone podciśnienie odczytywane na manometrze.

6. Metoda neutronometryczna

Polega na pomiarze rozpraszania szybkich neutronów przechodzących przez materię. Szybkie neutrony, zderzając się z jądrami atomów, tracą energię i zmieniają kierunek. Najwięcej traconej energii obserwuje się przy zderzeniach z atomami wodoru. Natężenie promieniowania rozproszonych neutronów jest proporcjonalne do ilości zderzeń z atomami wodoru i tym samym jest proporcjonalne do gęstości wodoru w glebie.

Krzywa pF

Woda w glebie jest utrzymywana różnymi siłami. Całkowita siła wiążąca wodę z glebą zwana jest potencjałem glebowym albo siłą ssącą i zależy m.in. od ilości wody w glebie. Można ją wyrażać w jednostkach ciśnienia. Dla wygody w operowaniu dużymi liczbami przyjęto jednostkę określoną symbolem pF. Oznacza ona logarytm z wysokości słupa wody h mierzonej w cm, którego ciśnienie odpowiada sile ssącej gleby.

pF = log h (cm H₂O)

Dostępność wody dla roślin zależy od siły z jaką jest ona związana w glebie. Przy pełnym wysyceniu gleby wodą siła ssąca pF = 0, natomiast w miarę wysychania gleby wzrasta aż do pF = 7, czyli F = 10⁷ cm H₂O . Wartości sił i odpowiadające im równoważne średnice porów glebowych przedstawia tabela:

Lp	pF	Ciśnienie			Równoważna średnica porów μm
				cm H2O		mm Hg	at KG⋅cm^-2
1	7,0	10 000 000,0	7 380 000	10 000,000	-
2	4,2	15 850,0	11 697	15,850	0,2
3	3,4	2 500,0	1 845	2,500	1,2
4	3,0	1000,0	738	1,000	3,0
5	2,7	500,0	369	0,500	6,0
6	2,5	316,0	233	0,320	10,0
7	2,2	158,5	117	0,160	20,0
8	2,0	100,0	74	0,100	30,0
9	1,5	31,6	23	0,030	100,0
10	1,0	10,0	7	0,010	300,0
11	0,4	2,5	2	0,002	1200,0

Związek pomiędzy potencjałem wody glebowej, wyrażonym w jednostkach pF, a jej zawartością określoną w procentach przedstawia się graficznie w postaci tzw. krzywej sorpcji wody (krzywej pF).

Krzywa pF wskazuje z jaką siłą związana jest woda w glebie, w przedziale os stanu pełnego nasycenia wodą do suchego. Jej kształt zależy głównie od składu granulometrycznego gleby. Na jej podstawie dokonuje się obliczeń porowatości różnicowej lub też określonych pojemności wodnych, zapasów wody i retencyjności.

Woda grawitacyjna (wolna) zawarta jest w porach o średnicy > 30 μm, czyli w przedziale pF 2,0 - 0,0.

Woda łatwo dostępna dla roślin występuje w porach o średnicy 3 - 30 μm dla gleb mineralnych i przy ciśnieniu ssącym pF 3,0 - 2,0. W glebach organicznych woda ta znajduje się w porach o średnicy 6 - 30 μm, co odpowiada potencjałowi pF 2,7 - 2,0. Woda łatwo dostępna dla roślin określana jest jako ”Efektywna Retencja Użyteczna” (ERU).

Wilgotność gleby przy wartości potencjału pF = 2,7 (w glebie organicznej) i pF = 3,0 (w glebie mineralnej) określana jest jako początek hamowania wzrostu roślin.

W porach o średnicy 3,0 - 0,2 μm i ciśnieniu pF 3,0 - 4,2 dla gleb mineralnych oraz o średnicy 6,0 - 0,2 μm i ciśnieniu pF 2,7 - 4,2 zawarta jest woda trudno dostępna dla roślin.

Woda zawarta w przedziale potencjałów pF 2,0 - 4,2 dla gleb mineralnych i organicznych określana jest jako „Potencjalna Retencja Użyteczna” (PRU).

W porach o średnicy < 0,2 μm i potencjale pF > 4,2 zawarta jest „Woda Niedostępna Dla Roślin”.

Wilgotność gleby przy potencjale pF = 4,2 w glebach mineralnych i organicznych określana jest jako „Punkt Trwałego Więdnięcia Roślin”.

Wyznaczanie krzywej pF

Przy wyznaczaniu krzywej pF posługuje się specjalną aparaturą umożliwiającą zatrzymanie w próbce gleby wody związanej z określoną siłą. Odpowiedni potencjał wody w glebie uzyskuje się poprzez proces adsorpcji wody lub znacznie częściej poprzez proces desorpcji ze stanu pełnego nasycenia do określonego potencjału (pF). Desorpcję wody z nasyconej gleby realizuje się stawiając próbki na filtrze przepuszczalnym dla wody, a nieprzepuszczalnym dla powietrza. Takie właściwości wykazują niektóre materiały po nasyceniu wodą, np. folia celofanowa, porowata płyta ceramiczna, blok wypełniony materiałem pyłowym lub pyłowo-kaolinowym.

Po wytworzeniu ciśnienia lub podciśnienia działającego na wodę w kapilarach następuje odwodnienie próbki glebowej. Takie warunki uzyskuje się stawiając próbki pobrane do specjalnych cylindrów w bloku wypełnionym syntetycznym bardzo drobnym piaskiem (materiałem pyłowym), który spełnia rolę filtru półprzepuszczalnego, i połączonym wężem gumowym z naczyniem szklanym tzw. wyrównawczym. Po wypełnieniu całego układu wodą i obniżeniu poziomu naczynia wyrównawczego, w bloku i próbkach gleby wytwarza się podciśnienie, powodując odpływ wody przez naczynie. Meniski wytworzone pomiędzy ziarnami pyłu nie pozwalają na przepływ powietrza przez blok. Woda odpływa z bloku i próbek do momentu, w którym siła jej wiązania zostanie zrównoważona z podciśnieniem wytworzonym przez obniżenie naczyńka.

W ten sposób wykonuje się oznaczenia w zakresie pF 0,0 - 2,0. Przy zadanej sile ssania określa się wilgotność próbki gleby poprzez ważenie jej do momentu uzyskania stanu równowagi. Czas niezbędny do ustalenia się równowagi zależy od składu mechanicznego gleby i wynosi od 1 dnia (np. piasek luźny) do średnio 3 tygodni (np. iły). Oznaczenia w zakresie pF 2,2 - 2,7 przeprowadza się na bloku pyłowo-kaolinowym, wywołując podciśnienie za pomocą pompy (np. wodnej, próżniowej).

Oprócz opisanych bloków często do wyznaczenia krzywej sorpcji wody w zakresie pF 0 - 3,0 stosuje się aparat Richardsa (komora niskociśnieniowa). Rolę półprzepuszczalnego filtru spełnia tu nasycona wodą porowata płyta ceramiczna. Płyta jest zamknięta od spodu gumą, skąd wyprowadzony jest przewód. Odpowietrzoną płytę, na której umieszczono próbki, zamyka się w hermetycznej komorze. W ten sposób dowolnie można ustawiać ciśnienie wewnątrz komory, zaś pod powierzchnią płyty (pomiędzy płytą i gumą) panuje zawsze ciśnienie atmosferyczne.

Meniski wodne wytworzone na granicy faz woda-powietrze nie pozwalają na przepływ powietrza przez płytę. W miejscach kontaktu wilgotnej gleby z płytą nie ma granicy faz, zatem woda może przepływać z gleby przez płytę i wypływać na zewnątrz. Dzieje się tak do momentu zrównania się ciśnienia wody w glebie i ciśnienia w komorze.

Przy wyznaczaniu krzywych pF w wyższych zakresach tzn. pF 3,0 - 4,2 używa się komór wysokociśnieniowych, w których rolę półprzepuszczalnego filtru spełnia nasycona wodą folia celofanowa (tomofan). Nasączone wodą próbki pobrane przy użyciu cylindrów umieszcza się na celofanie i poddaje działaniu wysokich ciśnień. Woda jest tu wypierana z gleby, a nie zasysana, tak jak to miało miejsce przy oznaczeniach do pF 3,0.

Po zastosowaniu odpowiedniego ciśnienia w komorze nisko- lub wysokociśnieniowej, czyli odwodnieniu próbki gleby do określonego potencjału, określa się wilgotność gleby w % wagowych lub objętościowych odpowiadających temu potencjałowi.

2. Cel ćwiczenia laboratoryjnego

• poznanie teoretycznych wiadomości na temat wilgotności gleby i krzywej pF,

• poznanie metod oznaczania wilgotności gleby oraz wyznaczania krzywej pF,

3. Zakres ćwiczenia laboratoryjnego

• wykreślenie krzywej pF dla danej gleby,

• obliczenie zawartości wody grawitacyjnej, łatwo dostępnej, trudno dostępnej, niedostępnej oraz potencjalnej retencji użytecznej w danej glebie.

4. Przebieg ćwiczenia

W oparciu o otrzymane wyniki badań zawartości wody w glebie dla określonych potencjałów wodnych należy wykreślić na papierze milimetrowym krzywą pF, odkładając na osi odciętych zawartość objętościową wody w %, zaś na osi rzędnych siłę ssącą pF. Następnie wyznaczyć punkt trwałego więdnięcia roślin i obliczyć zawartość (w %) wody grawitacyjnej, łatwo dostępnej, trudno dostępnej, niedostępnej dla roślin oraz potencjalną retencję użyteczną w badanej glebie.

Zawartość wody grawitacyjnej jest równa różnicy pomiędzy pojemnością wodną objętościową przy pF 0 i pojemnością wodną objętościową przy pF 2,0.

Zawartość wody łatwo dostępnej oblicza się z różnicy pomiędzy pojemnością wodną objętościową przy pF 2,0 i pojemnością wodną objętościową przy pF 3,0 (dla gleb organicznych 2,7).

Zawartość wody trudno dostępnej równa się różnicy pomiędzy pojemnością wodną objętościową przy pF 3,0 (dla gleb organicznych 2,7) i pojemnością wodną objętościową przy pF 4,2.

Zawartość wody niedostępnej dla roślin wyznacza się z różnicy pomiędzy pojemnością wodną objętościową przy pF 4,2 i pojemnością wodną objętościową przy pF 7,0.

Potencjalna retencja użyteczna jest równa różnicy pomiędzy pojemnością wodną objętościową przy pF 2,0 i pojemnością wodną objętościową przy pF 4,2.

5. Wymagania BHP

• odzież ochronna typu fartuch

• ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia

6. Literatura

Dobrzański B., Zawadzki S. (red.). Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. 1995.

Drzymała S., Mocek A., Maszner P. Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. AR w Poznaniu. Poznań. 1997.

Instrukcja obsługi: Sandbox and pressure membrane apparatures for soil moisture characteristics determination. Eijkelkamp. 1990.

Turski R. Gleboznawstwo. Ćwiczenia dla studentów wydziałów rolniczych. PWN. Warszawa. 1986.

---