FIZYKA I CHEMIA GLEB
Pory glebowe, a rodzaje wód
Pojemność wodna gleb
Właściwości hydrofizyczne gleby
Wielkość porów glebowych w �m (1�m=0,001mm) i
występujące w nich rodzaje wód
>30mm 30-8,5 8,5-4 4-0,2 <0,2
Woda Woda Woda woda Woda
grawitacyjna kapilarna kapilarna kapilarna higroskopowa
błonkowata chem.związ.
(odcieka) (woda łatwo dostępna) (trudno dostępna) (niedostępna)
Efektywna retencja użyteczna ERU
Potencjalna retencja użyteczna PRU
(3,0)
pF = 0
pF = 2,0
pF = 2,9
pF = 4,2
Postacie wody w glebie, wg Lazar
Próbka gleby gliniastej w powiększeniu. Widać wyraz
nie
makropory o rozmiarze ok. 0.1 mm, agregaty gleby
(jasnobrązowe)
wymiary ok. 0.3 mm oraz układ mezo- i mikroporów.
1 mm
Przestrzenna struktura makroporów w glebie
Rekonstrukcja przestrzennej struktury makroporów
Próbka gleby została ustabilizowana przez impregnację, pokrojona
na 120 plasterków (co 0.1mm), które zostały sfotografowane.
Obrazy zostały zeskanowane i przetworzone cyfrowo
z rozdzielczością 0.12 mm. Na tej podstawie, w każdym plasterku
zidentyfikowano położenie makroporów. Następnie ze 120
plasterków odtworzono przestrzenną strukturę makroporów
Widoczne są poziome i pionowe długie korytarze wytworzone przez
różnego rozmiaru robaki, a także najdrobniejsze pory wytworzone
przez najmniejsze korzenie roślin.
Cousin, 1996
Zależność między właściwościami wodnymi gleb a
ich składem mechanicznym wg Brady ego
30 37,5
Woda wolna
PPW
30,0
Woda kapilarna łatwo i
24
trudno dostępna
współczynnik
więdnięcia
18 22,5
12 15,0
Woda higroskopowa,
niedostępna
6,0 7,5
0,0 0
piasek glina glina pył glina
ił
piaszczysta ilasta
procent wody
cm wody/metr gleby
Pojemność wodna gleb
Pełna pojemność wodna  to stan nasycenia wodą gleby przy którym
wszystkie przestwory (lub prawie) są wypełnione wodą
Maksymalna dopuszczalna pojemność wodna  dopuszczalne maksimum
uwilgotnienia gleby (max zapas wody), przy którym w glebie znajduje się
niezbędna ilość powietrza (z punktu widzenia roślin)
Optymalna pojemność wodna  optymalne uwilgotnienie, przy której
zapewniona jest najkorzystniejsza ilość wody i powietrza
Polowa pojemność wodna  max ilość wody, jaką może utrzymać gleba przez
dłuższy czas (przy całkowitym wyeliminowaniu parowania gleby)
Pojemność okresu suszy  minimalny dopuszczalny stan uwilgotnienia gleb
zapewniający roślinie pobór wody trudno dostępnej (błonkowatej) 
niedostępna jest woda higroskopowa.
Pojemność trwałego więdnięcia roślin  (współczynnik więdnięcia) jest
zapasem wody niedostępnej dla roślin (fizjologicznie nieczynnej,
chemicznie związanej, tj. wody higroskopowej)
Wykres Janoty, Solnara układu stosunków wodnych w
profilu gleb
50
40
30
20
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Maksymalne dopuszczalne stany uwilgotnienia gleb
Dopuszczalne maksimum uwilgotnienia jest zależne:
-
rodzaju rośliny
-
fazy wegetacji
-
rodzaju gleby
-
właściwości wody i jej ruchliwości
O dopuszczalnym maksymalnym uwilgotnieniu decyduje
nie absolutna ilość wody, lecz ilość powietrza w glebie
wg Kopeckiego min zapasy powietrza wynoszą:
trawy 6-10% (objętości gleby)
pszenica i owies 10-15%
jęczmień i buraki 15-20%
Gdy brakuje powietrza (intensywność
oddychania korzeni 0,2-3,0 mg m-3 s-1) 
może dojść do niepożądanych procesów
anaerobowych, następuje zanik
mikroorganizmów tlenowych i zmniejszenia
przyswajalności zapasów pokarmowych,
pośrednio w stężeniach szkodliwych
nagromadzenie CO2 (>10%), deficyt azotu
(na skutek denitryfikacji), powstawanie Mn2+,
200
Fe2+, NO2-, S2-, CH4, C2H4
100
Zwierciadło
Zawartość
wody
powietrza w
gruntowej
glebie
0
20 40 % obj. gleby
Potencjał wody glebowej
O dostępności wody do systemu
korzeniowego roślin decydują siły wiązania
wody w roztworze glebowym czyli stan
energetyczny wody wyrażony przez
potencjał termodynamiczny
�c = �m+ �p+ �o+ �g [J kg-1] [J m-3 = N m-2] [J mol-1]
�m  składowa związana ze zmianami wilgotności gleby, tzw potencjał matrycowy,
składowa ta decyduje o występowaniu różnych postaci wody w glebie od wody
molekularnej dla małych wilgotności poprzez wodę błonkowatą i kapilarną do wody wolnej-
dla wartości wilgotności bliskich nasyceniu
�p  składowa związana ze zmianami ciśnienia zewnętrznego tzw potencjał ciśnieniowy
�o  składowa związana z koncentracją soli w roztworze glebowym  potencjał
osmotyczny
�g  składowa charakteryzująca oddziaływanie pola grawitacyjnego  potencjał
grawitacyjny
Potencjały wiążące różne formy wody w glebach
wg Schroeder
O(hs) wyraża empiryczną
charakterystykę  krzywa retencji
wodnej gleb
(hs wyrażamy lg10 I hs I = pF )
Równanie określające kształt krzywej
2
� (hs) = � exp{- � [ln(- hs)] }
s
�s � uwilgotnienie przy stanie pełnego
nasycenia [m3 m-3]
�, - parametr empiryczny [m-2]
� � wilgotność objętościowa [m3 m-3]
pomiar pF, tensjometry zasada działania
po jest ciśnieniem odniesienia,
ciśnienie hydrostatyczne w
ramieniu otwartym tensjometru jest
równe zero (występuje jedynie
ciśnienie atmosferyczne).
Zastępujemy zlewkę wypełnioną
wodą, na zlewkę z glebą, to odczyt
manometru obniży się. Odczyt przy
nowym stanie wynosi p, więc
ciśnienie ssące wody glebowej:
hs = -(p0  p) [cm, hPa, Bar]
Krzywa pF (o) dla warstwy ornej czarnej ziemi,
podano ważniejsze pojemności wodne; wg Trzecki
Aparatura do badania charakterystyki potencjał
wody glebowej-wilgotność firmy Soil Moisture
Equipment Corporation
Krzywe pF dla wybranych gleb polskich. 1- piasek
słabo gliniasty, 2- glina lekka, 3  ił. wg Zawadzki
Krzywe pF hydrogenicznych gleb Polski wg
Zawadzki
1  piasek luz
ny
2  piasek gliniasty
3  pył lesowy
4 - glina ciężka pylasta
5 - glina ciężka ilasta
Ekstraktor
ciśnieniowy do pracy
przy ciśnieniach do 5
barów
Ekstraktor
ciśnieniowy do pracy
przy ciśnieniach do
15 barów
ż %
Relacje między jednostkami potencjału wody glebowej a
odpowiadającymi im równoważnymi średnicami porów
Ekstraktor
membranowy 0-15
barów firmy Soil
Moisture Equipment
Corporation
Ekstraktor
membranowy do pracy
przy ciśnieniach do
100 bar
Ciśnienie ssące systemów korzeniowych
niektórych roślin [hPa]
Pszenica ozima 6789  11 247 hPa
Pszenica jara 5370 - 8207
Żyto 9727  14 489
Jęczmień 9727
Kukurydza 16 212  27 358
Koniczyna czerwona 12 868  16 212
Buraki cukrowe 8513
Rzepak ozimy 8513
Słonecznik 14 489
 Czujnik ciśnienia 143PC15D1 (15 psi  1 bar) firmy Honeywell
Składa się:
ceramicznego sączka z
drobnymi porami ,
Przezroczystej rurki z tworzywa
sztucznego (do pracy musi być
napełniona wodą) ,
wakuometru z skalą ,
Uszczelek
Tensjometry elektroniczne i urządzenie -
czytnik
Tensjometry z manometrami
Układ pomiarowy
7
z
ródło napięcia
4 5 6
S
odniesienia, 2 -
TDR przetwornik
1
ciśnienie-napięcie,
3 - karta akwizycji
danych, 4 - komputer
3
stacjonarny, 5 -
TDR, 6 - komputer
przenośny, 7 -
układ sterowania
8
pracą pompy, 8 - pompa
2
próżniowa, 9 -
tensjometr, 10 
10 14
cylinder pomiarowy,
11- sonda do
9
pomiaru
wilgotności, 12 -
11
zbiornik, 13 
13
wakułometr, 14 
15
elektrozawór, 15 
zbiornik
wyrównawczy
próżniowy.
12
4
5 6
TDR
1
Układ pomiarowy 1 -
3
z
ródło napięcia
odniesienia, 2 -
przetwornik
2
ciśnienie-napięcie,
3 - karta akwizycji
7
danych, 4 - komputer
stacjonarny, 5 -
TDR, 6 - komputer
8
przenośny, 7 -
cylinder pomiarowy,
sonda do pomiaru
wilgotności, 8 -
tensjometr, 9 
zbiornik.
9
Krzywa retencyjności wodnej gleb, opis
analityczny
Do rozwiązania podstawowego równania różniczkowego
przepływu jakim jest równanie Richards a, często wymagany jest
analityczny opis krzywej pF. Do analitycznego opisu krzywych
retencyjności wodnej gleby, wykorzystano równanie van
Genuchtena
Ś - Ś
s r
Ś = Ś +
r
m
n
(1+ ą �" h )
Ś - wilgotność aktualna [cm cm-3],
Śs  wilgotność przy stanie pełnego nasycenia [cm cm-3],
Śr  wilgotność resztkowa [cm cm-3],
h  ciśnienie ssące [cm],
ą - parametr kształtu [cm-1],
n, m  parametry empiryczne [-].
do wyznaczenia parametrów Śs, ą, n, m
występujących w równaniu van Genuchtena
można posłużyć się funkcjami zaproponowanymi
przez W�stena
Ś = 0.7919 + 0.001691�" C - 0.29619 �" � - 0.000001491�" S2
ą * = - 14.96 + 0.03135 �" C + 0.0351�" S + 0.646 �" OM +
s b
2 - 1
2
+ 0.0000821�" OM + 0.02427 �" C + 0.01113 �" S- 1
15.29 �" � - 0.192 �" topsoil - 4.671�" � - 0.000781�" C2
b b
2 - 1
+ 0.01472 �" ln(S) - 0.0000733 �" OM �" C - 0.000619 �" � �" C
b
- 0.00687 �" OM + 0.0449 �" OM + 0.0663 �" ln(S)
- 0.001183 �" � �" OM - 0.0001664 �" topsoil �" S
b
+ 0.1482 �" ln(OM) - 0.04546 �" � �" S - 0.4852 �" � �" OM
b b
+ 0.00673 �" topsoil �" C
"
"
n* = - 25.23 - 0.02195 �" C + 0.0074 �" S - 0.1940 �" OM
1
ą = expą
m = 1-
n = expn
2
2
+ 45.5 �" � - 7.24 �" � + 0.0003658 �" C2 + 0.002885 �" OM
n b b
- 1
- 1
- 12.81�" � - 0.1524 �" S- 1 - 0.01958 �" OM
b
C  udział frakcji <0.002 mm [%],
- 0.2876 �" ln(S) - 0.0709 �" ln(OM) - 44.6 �" ln(� )
b
- 0.02264 �" � �" C + 0.0896 �" � �" OM + 0.00718 " topsoil " C
S  udział frakcji 0.002 mm - 0.5 mm [%], b b
OM  procentowy udział substancji organicznej
[%],
�b  gęstość objętościowa gleby [g cm-3],
topsoil  zmienna jakościowa równa 1 (dla
podglebia przyjmuje się 0),
ą*, n* - przekształcone parametry do wzoru van
Genuchtena
Charakterystyka
wilgotnościowa
jednorodnej frakcji
piaszczystej hs(ż) wg
Bolta
Nieregularność kształtu porów Pętle histerezy
glebowych tłumaczy efekt charakterystyk dla dużego,
histerezy, zależności pomiędzy średniego i małego
potencjałem wody glebowej pF, zagęszczenia czarnej ziemi
a wilgotnością. Nieregularne
kapilary napełniają się przy
podciśnieniu PR, a opróżniają
przy podciśnieniu Pr
Ruch wody w glebie  przesiąkanie i filtracja
Wartości współczynnika filtracji różnych utworów
Przesiąkanie, czyli filtracja wody glebowo-
gruntowej przebiega w porach w pełni
nasyconych wodą przy przeważającym
poziomym kierunku ruchu. Miarą filtracji jest
współczynnik filtracji  czyli współczynnik
przewodności wodnej przy stanie pełnego
nasycenia. Sposoby określenia:
metody obliczeniowe i pomiarowe, które z kolei
dzielą się na polowe i laboratoryjne. Do
wyznaczenia wartości współczynnika filtracji
na polu nadają się dwie metody polowe
(metoda studzienkowa oraz metoda
infiltracji zatopionej) oraz metodę
laboratoryjną  stałego gradientu
Przewodnictwo wodne K(h)
2
m
n n- 1
ńł �ł
[1+ ą �" h ] - ą �" h
�ł żł
ół �ł
K(h) = Ks �"
m�"(l + 2)
n
[1+ ą �" h ]
parametrem opisującym ruch wody w strefie
nienasyconej gleby jest przewodnictwo
wodne K(h), które jest opisane równaniem
zaproponowanym przez van Genuchtena i
Mualema
Ks  współczynnik filtracji [m d-1],
l  parametr kształtu [-],
h  ciśnienie ssące [cm],
ą - parametr kształtu [cm-1],
n, m  parametry empiryczne [-].
Przykład parametryzacji profilu glebowego
�
Ks r s ą n l C S OM
�- �- b
cm/d
1/cm - - % % % g/cm3
0.00
44.5 0 0.36 0.0082 1.2542 -1.34 12.20 65.80 1.5 1.65
Ks  współczynnik filtracji
-0.25
podeszwa 8.4 0 0.35 0.0080 1.2496 -1.22 13.05 65.45 0.9 1.68
płużna
Śr  wilgotność resztkowa
-0.50
Śs  wilgotność przy stanie pełnego
nasycenia
18.8 0 0.39 0.0127 1.2461 -1.11 17.02 63.94 0.4 1.60
-0.75
ą  parametr kształtu [cm-1]
-1.00
n - parametr empiryczny
-1.25
I (zamiast K(h)
8.4 0 0.37 0.0142 1.1958 -1.82 21.60 58.20 0.3 1.63
C  udział frakcji <0,002 mm [%]
-1.50
S  0,002  0,5 mm [%]
OM  udział substancji organicznej
[%]
�b  gestość objętościowa gleby
poziom
próchniczny
warstwa podglebia
Głębokość [m]
podglebie o dużej gęstości
i małej przepuszczalności