Fizyczne właściwości gleb, ziem i podłoży ogrodniczych

Pojemność wodna

Woda w formie dostępnej dla roślin jest czynnikiem warunkującym ich wzrost i rozwój. W glebie wraz z rozpuszczonymi w niej solami mineralnymi stanowi roztwór glebowy. Pojemność wodna czyli zdolność gleby do zatrzymywania wody jest uzależniona od wielu czynników fizyko-chemicznych tj.

• składu granulometrycznego gleby (zawartość cząstek spławialnych),

• zawartości substancji organicznej,

• struktury gleby,

• koncentracji i rodzaju jonów w kompleksie sorpcyjnym i roztworze glebowym.

Wyróżnia się następujące właściwości gleb związane ze zdolnością zatrzymywania przez nie wody:

• Maksymalna pojemność wodna – stan gleby, kiedy wszystkie przestrzenie kapilarne i niekapilarne są wypełnione wodą. Utrzymuje się jedynie bardzo krótko, bezpośrednio po deszczu lub nawadnianiu.

• Polowa pojemność wodna - miejsce wody w przestworach niekapilarnych zajmuje powietrze. Woda grawitacyjna przedostaje się do głębszych warstw profilu glebowego. Odpowiada zatem zawartości w glebie wody higroskopowej, błonkowatej, kapilarnej oraz wolno przemieszczającej się wody grawitacyjnej.

• Pojemność kapilarna jest to ilość wody wypełniająca kapilary glebowe (przestwory glebowe < 3000 μm), jeśli gleba znajduje się w kontakcie ze zwierciadłem wody. Woda w kapilarach glebowych utrzymuje się dzięki siłom napięcia powierzchniowego.

• Punkt więdnięcia – zarówno transpiracja jak i parowanie z powierzchni ziemi zmniejsza ilość wody aż do stanu, w którym, następuje trwałe więdnięcie roślin, mimo że jeszcze pewien procent wody pozostaje w glebie. Jest ona jednak niedostępna dla roślin, gdyż siły wiążące ją z glebą przekraczają siłę ssącą korzeni roślin uprawnych.

Woda pozostająca jeszcze w glebie poniżej punktu więdnięcia jest to tzw. woda higroskopowa. Pochodzi ona z pary wodnej powietrza glebowego i tworzy na powierzchni cząstek glebowych powłokę związaną siłami adsorpcyjnymi.

Układ fazy stałej, wody i powietrza przy różnym stopniu uwilgotnienia gleby można przedstawić według schematu zamieszczonego na ryc. 1

100 g fazy stałej gleby	wody	Gleba nasycona wodą
fazy stałej gleby	wody	Powietrze
fazy stałej gleby		Powietrze
fazy stałej gleby		Powietrze

Ryc. 1 Układ fazy stałej, wody i powietrza w glebie wytworzonej z utworu pyłowego przy różnym stopniu uwilgotnienia.

Gleby mineralne mogą zatrzymać 1/5 do 2/5 wody w stosunku do swojej masy, natomiast gleby torfowe – dwa, trzy do czterech razy tyle ile wynosi ich sucha masa. Nierozłożony torf mszysty lub turzycowy posiada pojemność wodną wynoszącą 1000 do 2500% w odniesieniu do suchej masy, co oznacza, że może zatrzymać 10-25 razy więcej wody, niż wynosi jego sucha masa.

Oznaczanie wody higroskopowej w glebie

Zawartość wody higroskopowej w glebie zależy od jej składu mechanicznego
i mineralnego, a także od rodzaju kationów wymiennych, występujących na powierzchni koloidów glebowych. W glebach piaszczystych zawartość jej może wynosić poniżej 1%, natomiast w glebach gliniastych o dużej zawartości części spławialnych może dochodzić do 10%. O wiele większą zawartość wody higroskopowej będzie posiadać gleba, której kompleks sorpcyjny nasycony jest sodem, niż ta sama gleba posiadająca kompleks sorpcyjny wysycony wapniem.

Wykonanie oznaczenia

gleby wysuszonej na powietrzu i przesianej przez sito o średnicy oczek wsypać do naczyńka wagowego uprzednio wysuszonego w temperaturze i zważonego. Naczyńko z glebą suszyć do stałej wagi (ok. 3 godz.) w temperaturze . Po wysuszeniu przenieść do eksykatora, wystudzić i zważyć.

Obliczanie wyników

b · 100

% wody higroskopowej = ————

a

a — ilość gleby użyta do analizy [g]

b — strata na wadze podczas suszenia [g]

Oznaczanie kapilarnej pojemności wodnej metodą cylinderkową Kopecky’ego

Metoda cylinderkową Kopecky’ego pozwala na oznaczenie kilku ważniejszych właściwości fizycznych gleby w tej samej próbie, takich jak: gęstość objęto­ściowa, maksymalna pojemność wodna, kapilarna pojemność wodna, wilgotność względna, porowatość i pojemność powietrzna.

Do oznaczenia można wykorzystać cylinderek Kopecky’ego o objętości 100 lub 250 cm³ (dla podłoży organicznych). Składa się on z pierścienia o średnicy wewnętrznej 5,4-7 cm oraz dwóch pokrywek, z których jedna jest perforowana (ryc. 2).

Ryc. 2. Cylinder Kopeckyego o objętości (250,15 cm³)

Wykonanie oznaczenia

1. Zważyć cylinderek wraz z krążkiem bibuły odpowiadającym jego średnicy (a).

2. Zważyć cylinderek z próbką gleby o nie naruszonej strukturze (b). Aby pobrać próbkę o nie naruszonej strukturze należy wcisnąć cylinderek do gleby zaostrzoną stroną. Po wciśnięciu cylindra do gleby należy go podciąć szpadlem lub nożem i obciąć wystającą część gleby równo z brzegami cylindra. Następnie nałożyć perforowaną pokrywkę z krążkiem bibuły na ostry brzeg cylindra, a drugą pokrywkę na przeciwległy brzeg cylindra. Zabezpieczyć glebę przed wysychaniem w czasie transportu.

3. Zanurzyć cylinderek w naczyniu z wodą tak, aby woda sięgała 1/3, 1/2 jego wysokości. Pozostawić tak długo, aż na powierzchni pojawi się osad wilgoci. Po dokładnym wytarciu ścianek zewnętrznych cylinderka zważyć go (c).

4. Po częściowym przesuszeniu gleby wstawić cylinderek z glebą do suszarki i suszyć w temperaturze do stałej wagi (d).

Aby uzyskać powtarzalne wyniki należy pobrać próby gleby, w 3—5 powtórzeniach.

Obliczanie wyników

Gęstość objętościowa gleby wilgotnej

b - a

D₁ = ——— [g/cm³]

v

Podając wartość gęstości objętościowej gleby wilgotnej powinno się zaznaczyć przy jakiej wilgotności względnej dokonano oznaczenia.

Gęstość objętościowa gleby suchej

b - a

D₂ = ——— [g/cm³]

v

Wilgotność względna gleby w % wagowych

b - c

W₁ = ——— · 100

c - a

Wilgotność względna gleby w % objętościowych

b - c

W₂ = ——— · 100

v

Porowatość gleby w % objętości

D - D₂

P = ———— · 100

D

D - gęstość fazy stałej oznaczony niezależnie w kolbie miarowej lub piknometrze.

Maksymalna pojemność wodna odpowiada ilości wody jaką gleba potrafi zatrzymać w przestworach kapilarnych i niekapilarnych - odpowiada więc ona porowatości ogólnej przy maksymalnym uwilgotnieniu gleby. Stąd łatwo obliczyć pojemność powietrzną gleby.

Pojemność powietrzna gleby w % objętości

P_p = P - P_wv

a - ciężar cylinderka [g]

b - ciężar cylinderka z glebą o nienaruszonej strukturze [g]

c - ciężar cylinderka z glebą wysuszoną w 105oC

v - objętość gleby w stanie naturalnym [cm³]

P_wk - kapilarna pojemność wodna w % wagowych

P_wv - kapilarna pojemność wodna w % objętościowych

D₁ - ciężar objętościowy gleby wilgotnej

D₂ - ciężar objętościowy gleby suchej

W₁ - wilgotność względna gleby w % wagowych

W₂ - wilgotność względna gleby w % objętościowych

P - porowatość gleby w %

P_p - pojemność powietrzna gleby w % objętościowych

P_wv - kapilarna pojemność w % objętościowych

Oznaczanie ciężaru objętościowego torfu i innych podłoży z dużym udziałem substancji organicznej metodą Bagg-Olsena

Metoda polega na oznaczaniu gęstości objętościowej torfów i innych podłoży organicznych po ich całkowitym nasączeniu wodą w cylindrach pomiarowych (ryc. ). Objętość badanej próbki wynosi 100-200 cm³. W cylindrach umieszcza się tłoki, które wywierają nacisk na masę podłoża równy 10 g/cm² i ustawia się je na wannie filtracyjnej wypełnionej żwirem lub gruboziarnistym piaskiem. Po odcieknięciu wody nie zatrzymanej przez podłoże przystępuje się do oznaczania ciężaru objętościowego. Metodą tą można także oznaczyć inne właściwości fizyczne podłoży organicznych, tj. pojemność wodną całkowitą, pojemność powietrzną, porowatość.

Wykonanie oznaczenia

1. Próbkę torfu lub innego podłoża w stanie naturalnej wilgotności zalać wodą i pozostawić do następnego dnia.

2. Nałożyć namoczoną próbkę podłoża do cylindra, w ilości około 100 cm³ - przy analizie torfów niskich lub wysokich silniej rozłożonych, i około 200 cm³ w przypadku torfów wysokich słabo rozłożonych lub innych luźnych podłoży.

3. Nie naciskając podłoża umieścić tłoki w cylindrach, a następnie ustawić cylindry na wannie filtracyjnej, w której żwir lub piasek zostały uprzednio nasączone wodą.

4. Po mniej więcej 3 godzinach, kiedy ustało całkowicie ociekanie wody, zmierzyć wysokość słupa podłoża (a).

5. Obliczyć objętość podłoża mnożąc wysokość słupa podłoża przez powierzchnię wewnętrzną cylindra (v).

Obliczanie wyników

c - d

Kapilarna pojemność wodna w % wagowych: P_wk = ——— ∙ 100

d – a

c - d

Kapilarna pojemność wodna w % objętościowych: P_wv = ——— ∙ 100

v

a — masa cylinderka w [g]

b — masa cylinderka z glebą o nie naruszonej strukturze [g]

c — masa cylinderka z glebą nasączoną wodą tg]

d — masa cylinderka z glebą wysuszoną w [g]

e — objętość cylinderka [cm³]

Gęstość objętościowa

Gęstość objętościowa gleby jest to stosunek mast próbki gleby o nie naruszonej strukturze do jej objętości w stanie naturalnym [g/cm³]. Objętość w stanie naturalnym oznacza objętość zajmowaną przez 3 fazy gleby - w skrajnych przypadkach przez dwie (maksymalna pojemność wodna). Ponieważ gęstość objętościowa charakteryzuje trój- lub co najmniej dwufazowy układ składników, jest więc wielkością zmienną w odróżnieniu od gęstości właściwej, która charakteryzuje tylko fazę stałą gleby i jest niezmienna dla danej gleby.

Wartości gęstości objętościowych gleb mineralnych przy polowej pojemności wodnej, wahają się w granicach 0,75-1,90 g/cm³ i są tym wyższe im gleba jest mniej porowata
i bardziej zagęszczona. Gęstość objętościowa torfów waha się w granicach 0,2-0,3 g/cm³
i zależy od ich pochodzenia, stopnia rozkładu i domieszek mineralnych.

Gęstość objętościowa jest odwrotnie proporcjonalna do zawartości substancji organicznej i porowatości. Porowatość gleby oraz zawartość substancji orga­nicznej decyduje z kolei o stosunkach wodno-powietrznych i pojemności sor­pcyjnej gleby (podłoża). Zależność tę obrazują dane w tab. 4.

Pobrana w polu próbka gleby o nie naruszonej strukturze posiada pewną ilość wody (wilgotność aktualna). Stosunek masy wilgotnej próbki gleby do jej objętości całkowitej wyrażony w g/cm³ nazywamy gęstością objętościową chwilową. Gęstość ta zależy od gęstości właściwej fazy stałej gleby oraz od ilości wody w glebie i objętości porów (porowatości). Ponadto wyróżnia się także gęstość objętościową gleby suchej, zwaną też gęstością właściwa pozorną gleby suchej. Jest to stosunek masy gleby wysuszonej w do jej objętości w stanie naturalnym. Gęstość ta dla gleb pęczniejących pod wpływem wody zależy od wilgotności w chwili pobrania próbki gleby.

Tabela 4. Zależności pomiędzy gęstością objętościową gleby a zawartością substancji organicznej i kapilarną pojemnością wodną

Ciężar objętościowy [g/cm^3]	Substancja organiczna [%]	Kapilarna pojemność wodna [% wagowy]
0,1 0,2 0,4 0,5 0,7 0,8 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5	>90 >90 30 25 13 11 8 6 4 <4 <4 <4	>260 >260 187 140 93 75 50 45 35 31 25 20

Pobrana w polu próbka gleby o nie naruszonej strukturze posiada pewną ilość wody (wilgotność aktualna). Stosunek masy wilgotnej próbki gleby do jej objętości całkowitej wyrażony w g/cm³ nazywamy gęstością objętościową chwilową. Gęstość ta zależy od gęstości właściwej fazy stałej gleby oraz od ilości wody w glebie i objętości porów (porowatości). Ponadto wyróżnia się także gęstość objętościową gleby suchej, zwaną też gęstością właściwa pozorną gleby suchej. Jest to stosunek masy gleby wysuszonej w do jej objętości w stanie naturalnym. Gęstość ta dla gleb pęczniejących pod wpływem wody zależy od wilgotności w chwili pobrania próbki gleby.

Do oznaczania gęstości objętościowej torfów lub podłoży ogrodniczych z dużą zawartością substancji organicznej zaleca się używać materiału na­moczonego i odsączonego w warunkach swobodnego ociekania nadmiaru wody, tzn. przy pełnej pojemności kapilarnej. Optymalna objętość użytego torfu (innego podłoża organicznego) do oznaczania gęstości objętościowej powinna być nie mniejsza niż 200 cm³.

Oznaczenie gęstości objętościowej gleby wilgotnej, gleby suchej, wilgotności względnej, porowatości i pojemności powietrznej gleby

Wykonanie oznaczenia

1. Zważyć cylinderek Kopecky’ego z krążkiem bibuły (a).

2. Zważyć cylinderek wraz z glebą o nie naruszonej strukturze (b).

3. Obliczyć objętość pobranej próbki gleby (v).

4. Wstawić cylinderek wraz z glebą do suszarki i suszyć w temperaturze do stałej wagi (c).

Obliczanie wyników

Gęstość objętościowa gleby wilgotnej

b - a

D₁ = ——— [g/cm³]

v

Podając wartość ciężaru objętościowego gleby wilgotnej powinno się zaznaczyć przy jakiej wilgotności względnej dokonano oznaczenia.

Gęstośćr objętościowa gleby suchej

b - a

D₂ = ——— [g/cm³]

v

Wilgotność względna gleby w % wagowych

b - c

W₁ = ——— · 100

c - a

Wilgotność względna gleby w % objętościowych

b - c

W₂ = ——— · 100

v

Porowatość gleby w % objętości

D - D₂

P = ———— · 100

D

D - gęstość fazy stałej oznaczony niezależnie w kolbie miarowej lub piknometrze.

Maksymalna pojemność wodna odpowiada ilości wody, jaką gleba potrafi zatrzymać
w przestworach kapilarnych i niekapilarnych - odpowiada więc ona porowatości ogólnej przy maksymalnym uwilgotnieniu gleby. Stąd łatwo obliczyć pojemność powietrzną gleby.

Pojemność powietrzna gleby w % objętości:

Pp = P - P_WV

a - ciężar cylinderka [g]

b - ciężar cylinderka z glebą o nienaruszonej strukturze [g]

c - ciężar cylinderka z glebą wysuszoną w [g]

v - objętość gleby w stanie naturalnym [cm³],

Pwk - kapilarna pojemność wodna w % wagowych

Pwv - kapilarna pojemność wodna w % objętościowych

D₁ - gęstość objętościowa gleby wilgotnej

D₂ - gęstość objętościowa gleby suchej

W₁ - wilgotność względna gleby w % wagowych

W₂ - wilgotność względna gleby w % objętościowych

P - porowatość gleby w %

Pp - pojemność powietrzna gleby w % objętościowych

Pwv - kapilarna pojemność w % objętościowych

Oznaczanie ciężaru objętościowego torfu i innych podłoży

z dużym udziałem substancji organicznej metodą Bagge-Olsena

Metoda polega na oznaczaniu ciężaru objętościowego torfów i innych podłoży organicznych po ich całkowitym nasączeniu wodą w cylindrach pomiarowych (ryc. 3). Objętość badanej próbki wynosi 100-200 cm³. W cylindrach umieszcza się tłoki, które wywierają nacisk na masę podłoża równy 10 g/cm² i ustawia na wannie filtracyjnej wypełnionej żwirem lub gruboziarnistym piaskiem. Po odcieknięciu wody nie zatrzymanej przez podłoże przystępuje się do oznaczenia ciężaru obję­tościowego. Metodą tą można oznaczyć także inne właściwości fizyczne podłoży organicznych, tj. pojemność wodną całkowitą, pojemność powietrzną, porowatość.

Wykonanie oznaczenia

1. Próbkę torfu lub innego podłoża w stanie naturalnej wilgotności zalać wodą i pozostawić do następnego dnia.

2. Nałożyć namoczoną próbkę podłoża do cylindra, w ilości około 100 cm³ - przy analizie torfów niskich lub wysokich silniej rozłożonych, i około 200 cm³ dla torfów wysokich słabo rozłożonych lub innych bardzo luźnych podłoży.

3. Nie naciskając podłoża umieścić tłoki w cylindrach, a następnie ustawię cylindry na wannie filtracyjnej, w której żwir lub piasek zostały uprzednio nasączone wodą.

4. Po mniej więcej 3 godzinach, kiedy ustało całkowicie ociekanie wody, zmierzyć wysokość słupa podłoża (a).

5. Obliczyć objętość podłoża w cylindrze mnożąc wysokość słupa podłoża przez powierzchnię wewnętrzną cylindra (v).

6. Całą próbkę z cylindra przenieść do parownicy i suszyć w suszarce w temperaturze 105º C do stałej wagi (b).

Ryc. 3. Cylinder pomiarowy do oznaczania ciężaru objętościowego torfu i innych podłoży organicznych

1 — obudowa, 2 — perforowana nasadka, 3 — tłok

Obliczanie wyników

b · 1000

Gęstość objętościowa = ———— g/dm³

v

a - wysokość słupa podłoża w cylindrze [cm]

b - ciężar suchej masy podłoża [g]

v - objętość podłoża [cm³]

1000 - przeliczenie na 1 dm³ podłoża