GLEBA JAKO UKŁAD TRÓJFAZOWY

Najbardziej optymalne dla rozwoju roślin rozłożenie faz

• Powietrze i woda - 25%

• Części mineralne - 45%

• Części organiczne - 5%

Faza stała – ziarna mineralne i materia organiczne

Faza ciekła – woda i rozpuszczone w niej składniki

Faza gazowa – powietrze glebowe, wzbogacone w CO² pochodzący z oddychania zwierząt i korzeni roślin

Przestwory między elementami fazy stałej gleby wypełnione są powietrzem o wodą. Te wolne przestwory stanowią porowatość gleby.

Porowatość gleby – właściwość gleby polegająca na obecności układu wolnych przestworów między elementami fazy stałej gleby.

Porowatość [P] – procentowy stosunek objętości wszystkich przestworów wolnych w rozpatrywanej bryle gleby do całkowitej objętości tej bryły

$$P = \ \frac{S - So}{\text{So}}*100\ \lbrack\%\rbrack$$

S – gęstość właściwa gleby [g*cm^-3]

So – gęstość objętościowa gleby [g*cm^-3]

Porowatość zależy głównie od struktury gleby, w mniejszym stopniu od uziarnienia.

• Gleby piaszczyste - 35-50%

• Gliniaste - 37-53

• Ilaste - 40-56

W korzystnym układzie P w górnych poziomach stanowi 50% objętości gleby.

Gęstość właściwa (S) – stosunek masy gleby wysuszonej w 105 stopniach do objętości jej fazy stałej.

Od 1,4 g*cm^-3 w glebach organicznych

Do 2,9 g*cm^-3 w glebach mineralnych

Mineralne gleby bezpróchniczne = kwarc – 2,65 g*cm^-3

Gęstość objętościowa (So) – stosunek masy gleby wysuszonej w 105 stopniach do jej objętości w układzie naturalnym (łącznie z przestworami wolnymi).

0,1 – 0,3 g*cm^-3 w glebach organicznych

1,3 – 1,8 g*cm^-3 w glebach mineralnych

Próchnica wpływa na zmniejszenie wartości gęstości właściwej i objętościowej.

Warunki uniemożliwiające penetrację korzeni roślin w glebie

• Porowatość <30%

• Gęstość objętościowe > 1,8

• Gęstość właściwa > 2,9

Najważniejszą fizycznego punktu widzenia cechą mineralnej części fazy stałej gleby jest stopień jej rozdrobnienia (dyspersji), czyli uziarnienie lub składgranulometryczny (błędnie określany składnikiem mechanicznym).

Zależnie od rozmiarów, ziarna glebowe dzieli się na:

• Szkieletowe > 2 mm

• Piaszczyste 2 – 0,05 mm

• Pyłowe 0,05 – 0,002 mm

• Iłowe < 0,002 m

Najkorzystniejsze są gleby o średnim uziarnieniu zawierające w przybliżeniu

1/3 frakcji piaszczystej

1/3 pyłowej

1/3 iłowej

Frakcja piasku zapewnia przewiewność, przepuszczalność

Frakcje drobniejsze większą pojemność wodną i większą zawartość składników odżywczych

Struktura gruzełkowa:

• makropory (między nimi woda szybko przesiąka w skład gleby)

• mikropory (w nich gromadzi się woda dostępna dla roślin)

SORPCYJNE WŁAŚCIWOŚCI GLEBY

Sorpcja w glebie obejmuje dwa zjawiska: absorpcję i adsorpcję.

Absorpcja – pochłanianie gazu przez ciecz (lub ciało stałe) i równomierne rozprowadzenie go drogą dyfuzji w całej objętości tej cieczy (ciała stałego); np. pochłanianie przez roztwór glebowy gazów z atmosfery (np. O2) i gazów, które są produktami procesów wewnątrzglebowych (CO₂, NH₃)

Adsorpcja – zjawisko zachodzące na granicy dwóch faz. Polega ono na tym, że w warstwie powierzchniowej danej fazy stężenie substancji jest większe (adsorpcja dodatnia) lub mniejsze (ujemna) niż w głębi fazy.

Na powierzchni ciał stałych najczęściej występuje dodatnia adsorpcja gazów, par, substancji rozpuszczonych w roztworze lub zawierzonych w fazie gazowej.

Rodzaje adsorpcji w glebie

• Fizyczna, w której działają siły międzycząsteczkowe – adsorpcja molekuł gazów, wody, związków organicznych

• Chemiczna (chemiosorpcja) – zachodzi wskutek tworzenia się wiązań chemicznych i prowadzi do powstania nowego związku

• Jonowymienna (wymienna) – polega na elektrostatycznym przyciąganiu jonów z roztworu do przeciwnie naładowanej powierzchni; skład zaadsorbowanych jonów jest łatwo wymienialny

Zjawisko adsorpcji zależy od wielkości ziarn glebowych, a ściślej od wielkości powierzchni właściwej (zbiorowej) cząstek glebowych.W utworach drobnoziarnistych powierzchnia ta jest wielokrotnie większa niż w utworach gruboziarnistych.

Wybrane cechy ziarn glebowych o różnej wielkości

Średnica [mm]	Liczba w 1 gramie	Powierzchnia [cm2]
2,0 – 1,0	90	11
1,0 – 0,5	720	23
0,5 – 0,25	5 700	45
0,25 – 0,1	46 000	91
0,1 – 0,05	722 000	227
0,05 – 0,002	5 776 000	454
< 0,002	90 260 853 000	8 000 000

Wniosek:

Największą powierzchnią właściwą (zbiorową) i jednocześnie największą zdolnością adsorpcyjną charakteryzują się cząstki najdrobniejsze, wchodzące w skład frakcji iłowej (< 0,002 mm), tzw. koloidy glebowe.

Koloidy glebowe – ogół składników mineralnych, organicznych i organiczno-mineralnych należących do frakcji iłowej (< 0,002 mm)

• Koloidy organiczne– silnie rozdrobnione cząstki próchnicy

• Koloidy mineralne

  • Wtórne krzemiany:

    • krystaliczne (minerały ilaste)

    • amorficzne (alofany – bezpostaciowe żele tlenków Si i Al)

  • Silnie rozdrobnione miki

  • Tlenki żelaza (np. getyt, hematyt, ferryhydryt) i glinu (np. gibbsyt)

  • Koloidalna krzemionka

Powierzchnia właściwa różnych frakcji granulometrycznych i wybranych minerałów

	m^2*g^-1
Gruby piasek	0,01
Pył	1,0
Kaolinit	5 – 20
Montmorillonit	700 – 800
Tlenki i wodorotlenki Fe i Al	100 - 300

Glebowy kompleks sorpcyjny – ogół mineralnych, organicznych i organiczno-mineralnych koloidów glebowych obdarzonych ładunkiem elektrycznym, odgrywających w adsorpcji wymiennej rolę sorbenta.

Powierzchnie głównych sorbentów glebowych (mineralnych i organicznych) są nośnikami głównieładunków ujemnych, dlatego szczególne znaczenie w glebie ma wymienna (jonowymienna) adsorpcja kationów.

Zaabsorbowane kationy określa się jako wymienne, ponieważ mogą być podstawione przez inne kationy z roztworu z zachowaniem zasady równoważności ładunków, np.

Al³⁺ 3K⁺

Ca²⁺ 2Na⁺

Kationy zaabsorbowane na powierzchni cząstek koloidalnych nie wchodzą w skład sieci krystalicznej koloidów mineralnych ani w skład związków organicznych w przypadku koloidów organicznych. Są one przytrzymywane siłami elektrostatycznymi i mogą być wymieniane na inne jony z otaczającego roztworu.

Pojemność sorpcyjna lub pojemność wymiany kationów (PWK) – zdolność kompleksu sorpcyjnego gleby do zatrzymywania określonej ilości kationów i do równoważnej ich wymiany na inne.

Jednostka: cmol (+)* kg^-1

PWK = S + H

Gdzie:

S – suma zaadsorbowanych wymiennych kationów o charakterze zasadowym (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺)

H – kwasowość wymienna; suma zaadsorbowanych wymiennych kationów o charakterze kwasowym (H⁺, Al³⁺)

Wartość PWK zależy od charteru kompleksu sorpcyjnego tzn. od składu minerałów ilastych oraz od ilości próchnicy.

	PWK
Piaski	1 – 10 cmol (+) * kg^-1
Gliny	10 – 20 cmol (+) * kg^-1
Iły	do 60 cmol (+) * kg^-1
Torfy	100 – 200 cmol (+) * kg^-1
Montmorillonit	80 – 100 cmol (+) * kg^-1
Illit	15 – 40 cmol (+) * kg^-1
Kaolinit	3 – 15 cmol (+) * kg^-1

W glebach wytworzonych z piasków luźnych o wielkości PWK decydują koloidy organiczne (ilość i jakość próchnicy).

W glebach ciężkich, ukształtowanych z iłów lub glin ciężkich, o wielkości PWK decydują koloidy mineralne (ilość i rodzaj minerałów ilastych).

GLEBOWA MATERIA ORGANICZNA

Próchnica glebowa – naturalna mieszanina różnych substancji organicznych i mineralno-organicznych nagromadzonych w glebie oraz na jej powierzchni i reprezentujących różne stadia naturalnego przetworzenia (humifikacji i mineralizacji) szczątków roślin i zwierząt.

Nieswoiste glebowe substancje organiczne – produktu przemiany materii roślin i zwierząt, np. kwas szczawiowy, cytrynowy, mrówkowy, węglowodory, węglowodany, tłuszcze, aminokwasy, enzymy, witaminy i inne substancje.

Humus glebowy (próchnica właściwa) – bezpostaciowe, ciemno zabarwione produkty silnie zaawansowanego przetworzenia w glebie szczątków roślinnych i zwierzęcych oraz ich połączenia z mineralnymi częściami masy glebowej.

Humifikacja – proces przekształceń szczątków organicznych w glebie prowadzący do powstania humusu glebowego.Jednocześnie z procesem humifikacji następuje ciągła mineralizacja materii organicznej..

Mineralizacja – proces rozkładu materii organicznej do prostych związków nieorganicznych (mineralnych) takich jak: CO2, H2O, NH3, SO4 2-, PO4 3- i inne.

Mineralizacja prowadzi do degradacji materii organicznej ale jest równocześnie głównym procesem uwalniania składników pokarmowych dla roślin i ważnym ogniwem w obiegu materii i przepływie energii.

Humifikacja prowadzi do powstania specyficznych glebowych związków organicznych – humusu glebowego, który decyduje o właściwościach fizycznych i chemicznych gleb, a także o odżywianiu roślin.

Skład pierwiastkowy próchnicy

58% C, 35% O, 4% N, 3% H

Wzór sumaryczny próchnicy: C₂₄H₂₁O₁₁N₈

Główne składniki (frakcje) humusu:

• Kwasy humusowe – fulwowe, huminowe

• Huminy

Skład frakcyjny humusu jest ważną cechą rozpoznawczą gleb:

• Gleby bielicoziemne i rdzawo ziemne – kwasy fulwowe

• Gleby czarnoziemne – kwasy huminowe i huminy

Znaczenie próchnicy glebowej

• Integralny składnik każdej gleby

• Jedno z zasadniczych ogniw w biologicznym krążeniu pierwiastków i przepływie energii w ekosystemach

• Magazyn i wtórne źródło pierwiastków (głównie azotu) dla roślinności leśnej

• Źródło energii, węgla i innych pierwiastków dla heterotroficznej mikroflory glebowej

• Regulator odczynu i buforowych właściwości gleb

• Substancja o dużej pojemności wymiany kationów

• Czynnik współdecydujący o rozpuszczalności i migracji wielu składników w profilu glebowym

• Czynnik uczestniczący w kształtowaniu fizycznych właściwości gleby (m.in. struktury, właściwości wodnych, powietrznych)

• Ważna cecha rozpoznawcza w typologii siedlisk leśnych

GLEBY LEŚNE

• Ektopróchnica – w poziomie O (próchnica nadkładowa)

  • Oll – ściółka leśna; świeży opad nie objęty procesem rozkładu

  • Ol– podpoziom surowinowy; opad leśny we wstępnej fazie rozkładu, zachowane struktury tkankowe resztek organicznych, co umożliwia określenie ich składu botanicznego

  • Ofh – podpoziom detrytusowy; luźno ułożone, rozdrobnione i częściowo przetworzone resztki opadu leśnego

  • Of – podpoziom butwinowy; niezupełnie rozłożony opad leśny związany zwykle strzępkami grzybni i małymi korzeniami roślin runa

  • Oh – podpoziom epihumusowy; bezpostaciowa, czarna lub ciemnobrązowa dobrze zhumifikowana materia organiczna

• Endopróchnica – w poziomach: A, Bh, Bhs (próchnica wewnątrzglebowa)

• Próchnica torfowa

Typy próchnicy leśnej

Wyróżnia się na podstawie sekwencji podpoziomów ektopróchnicy i poziomów endopróchnicy

• Mull Ol – A – siedliska eutroficzne, znaczna aktywność rozkładu resztek organicznych (gleby brunatne, płowe, czarnoziemy, czarne ziemie, mady czarnoziemne, rędziny czarnoziemne)

• Mor Ol – Of – Oh – Bh (Bhs) – siedliska oligotroficzne, mała aktywność rozkładu resztek organicznych (bielice)

• Moder Ol – Ofh – A – siedliska mezotroficzne, średnia aktywność rozkładu (gleby rdzawe i bielicowe)

FAZA CIEKŁA GLEBY

Znaczenie wody w glebie

• Woda jest rozpuszczalnikiem wielu substancji mineralnych, organicznych i gazów

• Woda jest bezpośrednim źródłem składników pokarmowych dla roślin

• Przy udziale wody glebowej odbywają się wszystkie procesy glebowe

• Przebieg niektórych procesów glebotwórczych nie jest możliwy bez udziału wody, np.

  • Proces glejowy

  • Proces bielicowania

  • Proces lessiważu

  • Proces torfienia

  • Proces murszenia

Stany uwilgotnienia gleby

• Maksymalna pojemność wodna (MPW) – stan nasycenia gleby wodą

• Polowa pojemność wodna (PPW) – woda pozostała w glebie po odcieknięciu wody grawitacyjnej

  • Wilgotność gleby odpowiadająca PPW jest najkorzystniejsza dla roślin

• Wilgotność trwałego więdnięcia (WTW) – wilgotność gleby, przy której u porastającej tę glebę roślin pojawiają się pierwsze oznaki utraty turgoru (jędrności) i nie ustępują w ciągu 12 godzin pomimo przerwania ewapotranspiracji przez umieszczenie roślin w atmosferze nasyconej parą wodną.

• Woda higroskopijna (Wh) – woda zaadsorbowana przez glebę z pary wodnej znajdującej się w powietrzu; jej ilość zależy m.in. od wilgotności względnej powietrza.

• Maksymalna higroskopijność (MH) – największa ilość pary wodnej, którą gleba może zaadsorbować z powierza o względnej wilgotności = 96%; w warunkach naturalnych wilgotność gleb nie spada poniżej MH, ponieważ powietrze glebowe prawie zawsze jest parą wodną.

Siła ssąca gleby – siła utrzymująca wodę w glebie; wyrażana najczęściej w jednostkach pF

pF – logarytm dziesiętny z wartości ciśnienie ssącego gleby „p” określanego w cm słupa wody lub w systemie SI w hektopaskalach:

pF=logp [cm H₂O]=logp [hPa]

Jaka jest natura sił ssących?

Koloidy glebowe obdarzone są ujemnym ładunkiem elektrycznym. Cząsteczki wody mają budową polarną. W miarę oddalania się od powierzchni adsorpcyjnej fazy stałej maleje siła wiązania wody przez glebę.

Graniczne wartości pF w glebie:

• 0 – dla wody swobodnej, na którą nie działają siły ssące gleby

• 7 – dla wody zaadsorbowanej w warstwie monomolekularnej na powierzchni koloidu

Fizyczna klasyfikacja wody glebowej

Kryterium podziału: wielkość sił ssących

1. Woda grawitacyjna (wolna, swobodna)

   • Występuje w glebach nasyconych wodą powyżej PPW

   • Siły wiązania pF = 0 – 2

   • Jest niepożądana w glebie

   • Powoduje wypłukiwanie najdrobniejszych frakcji gleby i składników pokarmowych

2. Woda kapilarna

   • Utrzymywana jest w przestworach kapilarnych

   • Jej ilość waha się w przedziale między PPW a MH

   • Siły wiązania pF = 2 – 4,7

   • Jest w większości dostępna dla roślin

3. Woda higroskopijna

   • Występuje w postaci cząsteczek wody zaadsorbowanych na powierzchni koloidów glebowych

   • Siły wiązania pF = 4,7 – 7

   • Nie wykazuje właściwości cieczy, porusza się w postaci pary

Biologiczna klasyfikacja wody glebowej

Na podstawie kryterium dostępności wody dla roślin:

1. Woda zbędna

   • Występuje w ilości powyżej PPW

   • pF< 2

   • nie jest korzystna dla roślin wyższych (niedostateczne natlenienie, rozwój procesów gnilnych)

2. Woda dostępna

   • woda w przedziale PPW – WTW

   • pF = 2 – 4,2

3. Woda niedostępna

   • woda w ilości mniejszej od WTW

   • pF> 4,2 = WTW

Wnioski:

Siły ssące zależą od zawartości koloidów glebowych (mineralnych i organicznych) Wilgotność gleby odpowiadająca MPW, PPW, Wh, MH, WTW jest różna dla różnych gatunków gleb.

FAZA GAZOWA GLEBY

Woda i powietrze glebowe konkurują ze sobą o zajęcie wolnych przestworów. Nadmiar wody w glebie jest groźny dlatego, że nie zapewnia dobrej aeracji gleby:

• utrudnia swobodną wymianę powietrza glebowego z atmosferycznym; powietrze glebowe nie ma możliwości odnawiania swego składu

• przez spowodowanie deficytu tlenu uniemożliwia normalne oddychanie korzeni

• nieprawidłowy rozwój korzeni sprawia, że tracą one zdolność pobierania wody i składników odżywczych

• anaerobioza powoduje rozwój procesów glejowych i zahamowanie mineralizacji materii organicznej

	Powietrze
	atmosferyczne
Azot	78,1%
Tlen	20,99%
Dwutlenek węgla	0,03% (0,06)
Inne	0,88%
Wilgotność względna	100 – 70%

Stała względna wilgotność powietrza glebowego ma duże znaczenie dla zapewnienia prawidłowego rozwoju korzeni roślin, zwłaszcza włośników, a także wielu organizmów glebowych (np. dżdżownic) i mikroorganizmów, które nie mają naturalnych osłon zabezpieczających przed wysychaniem.

Powietrze glebowe jest prawie zawsze nasycone parą wodną, dlatego w warunkach naturalnych wilgotność gleb nie spada poniżej MH.

Przewiewność gleby – właściwość gleby umożliwiająca przepływ przez nią powietrza i jego wymianę z atmosferą nadglebową (zdolność gleby od odnawiania składu powietrza glebowego).

Temperatura i ciśnienie zmieniają się z określoną rytmiką (dobową, sezonową), dlatego proces wymiany gazów glebowych nazywa się często oddychaniem gleby.

Oddychanie gleby (respiracja) – proces wymiany gazów między glebą a atmosferą.

Miarą intensywności oddychania gleby (wskaźnikiem biologicznej aktywności gleby) jest ilość pochłoniętego przez glebę tlenu lub wydzielonego CO², przeliczona na jednostkę czasu i powierzchni.

GLEBA JAKO ZASOBNIK SKŁADNIKÓW POKARMOWYCH DLA ROŚLIN

Warunki wzrostu roślin

1. Światło

2. Oparcie mechaniczne

3. Ciepło

4. Powietrze

5. Woda

6. Składniki pokarmowe

Podstawowe składniki pokarmowe i ich pochodzenie

MAKROSKŁADNIKI	MIKROSKŁADNIKI
Z powietrza i wody	Z fazy stałej gleby
Węgiel	Azot
Wodór	Fosfor
Tlen	Potas
	Wapń
	Magnez
	Siarka

• Makro i mikropierwiastki uwalniane są w procesie wietrzenia minerałów są magazynowane w kompleksie sorpcyjnym gleby

• Ilość koloidów mineralnych i organicznych decyduje o możliwościach akumulacji składników odżywczych i w efekcie o zasobności gleb

• Gleby piaszczyste - ubogie w składniki pokarmowe, gleby gliniaste - bogate

ZASOBNOŚĆ, ŻYWNOŚĆ, PRODUKYWNOŚĆ, URODZAJNOŚĆ GLEB - pojęcia

Zasobność gleby - zawartość w glebie przyswajalnych form poszczególnych pierwiastków pokarmowych (makro i mikroskładników). Zasobność gleby określa się na podstawie analizy składu chemicznego gleby, a zawartość składników wyraża się w procentach lub w g*kg^-1.

Żyzność gleby - zdolność gleby do zaspokajania edaficznych (życiowych) wymagań różnych roślin w ramach możliwości stwarzanych przez pozostałe czynniki siedliskowe (warunki klimatyczne, wodne, ciepło). Ilościową miarą żyzności jest np. liczba gatunków roślin naczyniowych bytujących na obszarze reprezentatywnym dla danego zespołu roślinnego. Im większa liczba gatunków roślin, tym żyźniejsza gleba.

Produktywność gleby - zdolność gleby do wytwarzania biomasy. Miarą produktywności gleby jest ilość suchej masy organicznej wytworzonej w jednostce czasu na jednostce powierzchni (masa nadziemnych i podziemnych części roślin).

Urodzajność - zdolność gleby do zaspokajania tych wymagań roślin, które decydują o li plonowaniu, czyli produkcji tej części masy roślinnej, która ma znaczenie użytkowe. Miarą urodzajności gleby jest plon (urodzaj) wyprodukowany w jednostce czasu z jednostki powierzchni.