Wilgotność gleby

Pod pojęciem wilgotności rozumie się wyrażoną w

procentach

wagowych (% ww ) lub objętościowych (% vv ) zawartość

wody w

glebie.
W związku z tym wyróżnia się:
1. Wilgotność wagowa bezwzględna (W

bzw

) – jako stosunek masy

wody ( ) do masy gleby suchej (Gs)

W

bzw

=

* 100(%)

2.

Wilgotność wagowa względna (W

wz

) – jako stosunek masy

wody

( ) do masy gleby wilgotnej (Gw)

W

wz

=

*100(%)

O

H

M

2

S

O

H

G

M

2

O

H

M

2

w

O

H

G

M

2

Wilgotność objętościową (W

o

) – jako stosunek objętości

wody

( ) do objętości ( V ) gleby, w której jest zawarta.

W

o

= * 100(%)

Związek pomiędzy wilgotnością wyrażoną w %

wagowych a

wilgotnością w % objętościowych obrazuje wzór:

W

o

= W

bzw

* ρ

o

przy czym ρ

o

jest to gęstość gleby suchej (g/cm

3

)

O

H

M

2

S

O

H

G

M

2

Właściwości wodne gleb

Część porów glebowych wypełnionych jest

roztworem

glebowym

(woda z rozpuszczonymi w niej substancją mineralną i
organiczną).

Źródłem wody w glebie są:
a) opady atmosferyczne
b) podsiąkanie z warstw głębszych
c) poziome przesiąkanie z różnych zbiorników

wodnych)

(rzeki, jeziora, kanały, itp.)
d) nieznaczna ilość w wyniku skraplania pary

wodnej

e) sztuczne nawodnienia

Biorąc pod uwagę dynamikę ruchu wody, siły

wiązania oraz bezpośrednio skorelowaną z nimi
przyswajalność dla roślin w glebie wyróżniamy:

-

wodę związaną chemicznie

-

w postaci stałej, krystalicznej (lodu)

-

w postaci pary wodnej

-

wodę związaną siłami molekularnymi

-

wodę higroskopową (ściśle związaną),

- wodę błonkowatą (luźno związaną)

-

wodę kapilarną

a)

wodę kapilarną przywierającą

- zawieszoną: kątową (pendularną, stykową),

sorpcyjnie zamkniętą, wewnątrzagregatową,
właściwą

- opadniętą
b) wodę kapilarną właściwą:
- zamkniętą
- wstępującą
- otwartą (funikularną)

- wodę grawitacyjną:
- przesiąkową (perkolacyjną)
- wolno przesiąkową
- szybko przesiąkową
- podpartą
- ściekającą
- stagnująca

-woda gruntowa (wolna)

Siły wiązania wody w glebie

Woda w glebie utrzymywana jest różnymi siłami.
Wielkość fizyczną określającą tą siłę nazywa się
potencjałem wody glebowej, lub
siłą ssącą gleby. Powszechnie przyjętym symbolem
wyrażania tej wielkości jest symbol pF

pF = log h

gdzie:
log - logarytm dziesiętny,
h - wysokość słupa wody (cm), którego
ciśnienie odpowiada sile ssącej gleby.

W zależności od sił wiążących wodę w glebie

wyróżnia

się trzy podstawowe formy wody glebowej:

woda grawitacyjna:

- zajmuje makropory (Ø > 8,5 µm),
- utrzymuje się w glebie siłami mniejszymi od 0,33 atm,
- porusza się głównie w makroporach na skutek sił
grawitacyjnych,
- powoduje wymywanie składników pokarmowych z
gleby, wykorzystywana jest przez rośliny podczas
- powolnego przemieszczania się w strefie
przykorzeniowej.

woda kapilarna:

-

zajmuje głównie mezopory (Ø 8,5 – 0,2 µm ),

-

utrzymywana jest w glebie siłami od 0,33 do 31
atm,

-

jest w większości dostępna dla roślin,

-

porusza się we wszystkich kierunkach,

-

tworzy głównie roztwór glebowy,

woda higroskopowa:

-

zajmuje głównie mikropory (Ø < 0,2 µm),

-

utrzymywana jest w glebie siłami od 31 do 10 000
atm,

-

wiązana jest głównie przez koloidy glebowe ( <
0.002 mm),

-

nie wykazuje właściwości cieczy i nie jest dostępna
dla roślin,

-

przemieszcza się w glebie w postaci pary.

Wynika stąd, że jedynie część wody

glebowej jest dostępna dla roślin. Rośliny
mogą korzystać jedynie z wody
utrzymywanej siłami

mniejszymi niż

wynosi siła ssąca ich systemów
korzeniowych.

Siły ssące korzeni wybranych roślin

uprawnych

ROŚLINA

SIŁA SSĄCA

WEDŁUG

VEGELERA

(atm)

owies

6,7-8,1

pszenica ozima

6,7-11,1

pszenica jara

5,3-8,1

żyto

9,6-14,3

kukurydza

16-27

trawy pastewne

7-17

cebula

15,9-17,1

pF

2,0

= 0,1 atm

pF

2,5

= 0,3atm

pF

3,7

= 5 atm

pF

4,2

= 15 atm

pF

4,5

= 31 atm

Związek pomiędzy potencjałem wody

glebowej wyrażanej w jednostkach pF,
w jednostkach ciśnienia, średnicą
porów a jej zawartością określoną w
procentach wilgotności (% obj.)
przedstawia się w postaci

krzywej pF

inaczej nazywanej

krzywą sorpcji

wody.

10

20 30 40

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

atm

pF

m

ez

op

or

y

m

ikr

op

or

y

m

ak

ro

po

ry

obj. % HO

2

2,5

3,7

4,2

4,5

31

10000

15
5

0,3

8,5

0,2

0,1

PR

U

ER

U

ERU - efektywna retencja uyteczna (pF 2,0-3,7)

PRU - potencjalna retencja u yteczna (pF 2,0-4,2)

ż

ż

o porów

m

m

/

Profil 1

Poziomy genetyczne

M

t

50

60 70 80

90

Ot

ni

KRZYWA POJEMNOŚCI
WODNEJ

0

10

1

2

3

4

5

pF

4,5

2,5

3,7

1,6

20 30 40 50 60 70 80 90 100 %

PROFIL NR

4

4,2

m

ez

op

or

y

m

ik

ro

po

ry

m

ak

ro

po

ry

10,0

70,0

0,2

o porów

m

m

/

OM - 25-40cm

Otni1 - 60-80cm

0

10

1

2

3

4

5

pF

4,5

2,5

3,7

1,6

20 30 40 50 60 70 80 90 100 %

4,2

Mt - 10-25cm

Otni - 30-45cm

D3G - 80-90cm

PROFIL NR

2

m

ez

op

or

y

m

ik

ro

po

ry

m

ak

ro

po

ry

10,0

70,0

0,2

o porów

m

m

/

KRZYWE POJEMNOŚCI WODNYCH DLA
RÓZNYCH UTWORÓW GLEBOWYCH

W oparciu o krzywą pF można określić

wiele ważnych właściwości wodnych gleb, z

których do najważniejszych należą:

-

Maksymalna pojemność wodna (MPW)

– odpowiada

procentowi wody przy pF = 0 (całkowicie wysycenie

wodą- woda wypełnia makropory)

-

Polowa pojemność wodna (PPW)

– odpowiada

procentowi wody przy pF = 2,5 - często za dolną

granicę przyjmuje się wartość 2,0 jeśli woda

gruntowa znajduje się bardzo płytko ( np. w

torfach), bądź dla utworów I i II drugiej kategorii

agronomicznej ( bardzo lekkich i lekkich).

-

Kapilarna pojemności wodna (KPW

)- odpowiada

procentowi wody pomiędzy pF 2,5 – 4,2 w przedziale

tym wyróżnia się:

- granicę (wilgotność) wody produkcyjnej

(GWPr)

odpowiadającą wartości pF = 3,7
- wilgotność (punkt) trwałego więdnięcia roślin

(PTW

lub WTW) – odpowiada wartości pF = 4,2

4. Potencjalna retencja użyteczna (PRU) – odpowiada

procentowi wody przy pF 2,5 – 4,2

5. Efektywna retencja użyteczna (ERU) – odpowiada

procentowi wody przy pF 2,5 – 3,7

Porowatość różnicowa wyrażona w procentach

objętościowych makro, mezo i mikroporów glebowych

Z rolniczego punktu widzenia istotne jest jaki jest w danej

chwili zapas wody, z której rośliny mogą korzystać.

Wyraża to wzór:

Z = mm

gdzie:
W – wilgotność naturalna wyrażona w procentach

wagowych (%ww)

PTW – wilgotność trwałego więdnięcia roślin( przy pF =

4,2) wyrażona w procentach wagowych

( %ww )

- gęstość objętościowa gleby ( g*cm

-3

)

h – miąższość gleby (cm)
10 – współczynnik

10

*

*

)

(

h

PTW

W

o





o



Jeżeli gleba składa się z kilku warstw

o różnej wilgotności i różnej gęstości
objętościowej, wówczas całkowity
zapas wody w tej glebie jest sumą
zapasów obliczonych dla każdej
warstwy oddzielnie

Przykładowe wartości wilgotności gleb płowych oraz

odpowiadające im zapasy wody wyrażone w mm opadu

Grupa

granulo-

metryczna

Głębokość

(cm)

Wn

%obj

mm

opadu

Pc

Piasek słabo

gliniasty

10-20

13,6

27,2

39,5

Piasek

gliniasty

lekki

14,9

29,8

40,6

Piasek

gliniasty

mocny

15,8

31,6

39,5

Glina lekka

70-85

21,8

32,7

33,7

Glina średnia

25,1

37,6

28,3

Glina lekka

85-100

21,2

31,8

31,2

Glina średnia

21,3

31,9

28,3

Efektywna (ERU) i aktualna (AERU) efektywna

retencja użyteczna w przykładowej glebie

płowej

Termin

oznaczenia

Efektywna retencja

użyteczna w

warstwach gleby

(mm opadu)

0-50cm

ERU

1

105

ERU

2

81

AERU
15.05

41

AERU
15.06

29

AERU
15.07

12

ERU

1

= pF

2,0

– pF

3,7

ERU

2

= pF

2,5

- pF

3,7

AERU = Wn – pF

3,7

Ruch wody w glebie

W ruchu wody w glebie wyróżnia się trzy fazy:

- wchłanianie przez glebę wsiąkającej wody - infiltrację
- przesiąkanie wody przez glebę- perkolację
- przewodzenie wody przez glebę przy pełnym jej nasyceniu –
filtrację
lub przewodnictwo hydrauliczne

Rodzaj ruchu wody glebowej jest ściśle uzależniony od
stopnia wypełnienia wodą porów glebowych.

Infiltracja:

Jest to ruch wody w strefie nienasyconej –

część porów

glebowych wypełnionych jest powietrzem i stopniowo

zwilżane są coraz

to nowe warstwy. Określa ona proces frontalnego wsiąkania

wody

(deszczowej, roztopowej, itp.) z powierzchni do wnętrza

profilu. Jej

prędkość z reguły maleje z upływem czasu – pory wypełniane

są wodą.

Jest cechą zmienną.

Perkolacja:

Pod tym terminem rozumie się ruch

wody w profilu glebowym wraz z rozpuszczonymi w niej
składnikami. Zależnie od dominującego kierunku ruchu
wody wyróżnia się następujące typy gospodarki wodnej
gleb:

-endoperkolatywny - ruch w głąb profilu

-egzoperkolatywny - ruch ku powierzchni gleby

-amfiperkolatywny - ruch przemienny ku górze i w dół
profilu

-periperkolatywny - ruch we wszystkich kierunkach.

Filtracja:

Filtracja wody glebowej przebiega w porach gleby w pełni
nasyconych wodą, przy przeważającym poziomym kierunku ruchu
wody. Jeżeli woda gruntowo-glebowa znajduje się w różnych
punktach terenu pod niejednakowym naporem to woda

przemieszcza się

w kierunku naporu mniejszego. Szybkość wchłaniania wody przez

glebę

zależy od współczynnika filtracji k i od spadku hydraulicznego I.
Tak zwany wydatek wody Q wyrażający ilościowo jej przepływ

określa się

prawem Darcy’ego

Q = k *I * w *t

gdzie:

Q - wydatek wody
k - współczynnik filtracji
I - spadek hydrauliczny zwierciadła wody gruntowej wyrażający
stosunek różnicy naporów ΔH do długości drogi filtracji L, ΔH/L
w - powierzchnia przekroju
t - czas przepływu
Współczynnik filtracji k wyrażany jest najczęściej w cm*s

-1

lub

w m*s

-1

Istnieje szereg metod oznaczania

współczynnika filtracji. Są to m.in.

metody:

1. obliczeniowe z wykorzystaniem wzorów

empirycznych (na

podstawie krzywej uziarnienia),
2. laboratoryjne np. metoda Black’a
3. polowe (próbnego pompowania, zalewania studni i

dołów

chłonnych, obserwacji wzniosu wody podziemnej w

studni).

WSPÓŁCZYNNIK

FILTRACJI DLA RÓŻNYCH
UTWORÓW GLEBOWYCH

UTWÓR GLEBOWY

WSPÓŁCZYNNIK

FILTRACJI M˙S

-1

Ił

n˙10

-11

Ił pylasty

n˙10

-9,-10

Glina ciężka

n˙10

-9

Glina średnia

n˙10

-7,-8

Glina lekka

n˙10

-6,-7

Piasek gliniasty

n˙10

-5,-6

Piasek luźny

n˙10

-4

Żwir drobny

n˙10

-2,-3

Torf słabo

rozłożony

n˙10

-4,-6

Torf silnie

rozłożony

n˙10

-7,-9

Oznaczanie współczynnika filtracji na

podstawie krzywej uziarnienia

Stosowanie tej metody, jak wszystkich metod

obliczeniowych, wymaga wykonania analizy

granulometrycznej. Zasadą metody jest wykonanie

analizy granulometrycznej gruntu w celu uzyskania

krzywej uziarnienia, z której odczytuje się średnice

miarodajne (efektywne, zastępcze). Średnica miarodajna

jest wielkością, na podstawie której określa się - poprzez

wzory empiryczne - wartość współczynnika filtracji.

Średnica miarodajna de

- to średnica fikcyjnej skały

filtracyjnej, składającej się z ziaren kulistych o
jednakowej

średnicy,

która

ma

taką

samą

wodoprzepuszczalność, jak skała badana. Średnicę
miarodajną określa się jako tę średnicę, poniżej której
zawartość ziaren w składzie granulometrycznym skały
stanowi określony procent, np.: średnica miarodajna de
= d10 oznacza, że 10 % skały stanowią ziarna o średnicy
mniejszej od miarodajnej d10, a 90 % ziarna większe.
Średnica miarodajna d10 jest to więc taka średnica na
krzywej uziarnienia, od której 10% kruszywa ma ziarna
mniejsze.

Skład granulometryczny

Tabela 2.

Numer
próbki

ZAWARTOŚĆ FRAKCJI [%]

Średnica ziarn [mm]

Podgrupa

granulometrycz

na

według PTG

2 –0,5

0,5 –

0,

25

0,25 –
0,1

0,1 –
0,05

0,05 –
0,02

0,02 –
0,005

0,005 -
0,002

<0,00

2

1

24,22

41,13

23,65

4

2

3

1

1

pl

2

3,35

35,10

46,55

7

3

2

0

2

pl

3

3,27

35,42

51,31

6

1

1

1

1

pl

4

3,12

37,67

49,21

7

0

2

1

1

pl

5

4,97

29,00

50,03

10

2

1

1

2

pl

3. Opracowanie wyników
1) Wykreślić krzywą uziarnienia wykorzystując dane z tabeli

(dla każdej badanej gleby).

2) Z uzyskanej krzywej uziarnienia odczytać średnice

miarodajne: de = d10 oraz d60 (dla wzoru Hazena) oraz
d20 i d50 (dla pozostałych wzorów).

3) Obliczyć współczynnik niejednorodności uziarnienia:

U =d60/d10

Im współczynnik U jest bliższy jedności, tym bardziej

równomierne jest

uziarnienie i tym lepsza jest przepuszczalność ośrodka

porowatego

(skały, gruntu, gleby).

4) Obliczyć współczynnik filtracji k ze wzorów: Hazena,

Seeldheima, USBR

oraz według wzoru Darcyego

1. Q = 1,0 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =

0,000463

2. Q = 14,2 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =

0,00593

3. Q = 16,4 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =

0,00687

4. Q = 18,4 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =

0,00769

5. Q = 6,8 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =

0,00283