FIZYKA I CHEMIA GLEB

1. Czynniki życia każdego organizmu wpływające na produkcję

Wyróżniamy czynniki kosmiczne: światło, ciepło i glebowe: gleba, składniki pokarmowe, powietrze, woda.

Światło: Fale o długości poniżej 315 nm są szkodliwe dla roślin, jest toksyczne i powoduje blaknięcie roślin.

Światło ultrafioletowe ma zarówno pozytywny jak i negatywny wpływ. Wspomaga wzrost, wzmacnia odporność na szkodniki i bakterie. Na minus trzeba zaliczyć blaknięcie i zdeformowany wzrost.

Fale o długości 400-520 nm sprawiają pojawienie się szczytu absorbcji przez chlorofil i silnie wpływa na fotosyntezę, podobnie jak fale z zakresu 610-720nm. Powyżej 1000 nm cała energia jest absorbowana jako ciepło.

Gleba: pozyskuje substancje stałe, płynne i gazowe, substancje organiczne i mineralne oraz szkodliwe z atmosfery. Filtruje stae i płynne substancje, zachodzą w niej procesy buforowe (adsorbcja), jest odpowiedzialna za przebudowę i rozkład.

Składniki pokarmowe: wraz ze wzrostem rośliny, potrzebuje ona coraz większych dawek potasu, azotu i fosforu.

Azot – synteza aminokwasów i białka,

Fosfor – bilans energetyczny,

Siarka – synteza białka, aminokwasów, enzymów i koenzymów,

Potas – aktywuje enzymy, osmozę odpowiedzialny za równowagę elektrolityczną,

Wapń – reakcje enzymatyczne, metabolizm,

Magnez – środek aktywujący enzymy, komponent chlorofilu transport jonów,

Żelazo – synteza chlorofilu, system enzymów,

Miedz – fotosynteza, metabolizm białka, dystrybucja węglowodanów, bilans wodny,

Mangan – reakcje enzymatyczne, fotosynteza,

Cynk – aktywator enzymów,

Bor – wykorzystanie wapnia i wzrost roślin.

Powietrze: Skład powietrza glebowego ulega dynamicznym zmianom. W skład jego podstawowych składników wchodzi: tlen, azot, dwutlenek węgla i para wodna. W powietrzu gebowym tlenu jest zawsze mniej, a dwutlenku węgla więcej niż w powietrzu glebowym. Gdy brauje powietrza może dojśc do procesów anaerobowych i następuje zanik mikroorganizmów tlenowych, co zmniejsza przyswajalność zapasów pokarmowych.

Woda

2. Funkcje wody w glebie

- bierze udział we wszystkich procesach biologicznych, fizycznych i chemicznych

- jest rozpuszczalnikiem i środkiem transportowym dla składnikó pokarmowych roślin

- niezbędny element w procesach fizjologicznych i fauny glebowej

- regulator ciepła i wilgoci w otoczeniu roślin (wilgotna gleba nagrzewa się wolniej)

- kształtuje zawartość powietrza w glebie

- niezbędny element w procesach glebotwórczych ((ma wpływ na wietrzenie skał i minerałów oraz mineralizację związków organicznych. Powoduje: zmywanie, akumulację, zabagnienie, zasolenie, wymywanie i przenoszenie substancji organicznych)

- formuje mikroklimat i klimat większych obszarów

- niezbędny element w procesie fotosyntezy

- decyduje o wyglądzie rośliny (czasem stanowi 90% masy)

3. Rola wody w glebie

Udział w procesie glebotwórczym (ma wpływ na wietrzenie minerałów i skał glebotwórczych oraz na mineralizacje związków organicznych). W procesie glebotwórczym biorą udział wszystkie rodzaje wód pod postacią: deszczu, gradu, śniegu i lodu. Wody powierzchniowe i gruntowe powodują: zmywanie gleb (erozja, unoszenie, transport), akumulacje (namulanie, sedymentacje), zabagnianie, zasolenie (z podsiąku wód gruntowych), wymywanie i przenoszenie substancji organicznych, związków mineralnych, drobnych cząstek koloidalnych.

4. Duży i mały obieg wody w przyrodzie, mikroobieg, czynniki powodujące obieg wody w przyrodzie

Na duży obieg wody (procesy zachodzące w skali globalnej) wpływa: parowanie z oceanów, kondensacja w atmosferze, przemieszczanie się pary wodnej nad kontynentami, opad na lądy, wsiąkanie, spływ podziemny i powierzchniowy zasilający oceany.

Na mały obieg wody (procesy lokalne) wpływa: parowanie, sublimacja, kondensacja, opad, wsiąkanie i odpływ.

Czynnikami wpływającymi na obieg wody w przyrodzie są: energia promieniowania Słońca, siła grawitacji, obrót kuli ziemskiej wokół osi, ciśnienie atmosferyczne, siły kapilarne, procesy biologiczne, czynniki antropogeniczne.

6. Bilans wodny obszaru, składniki bilansu wodnego

Bilans wodny obszaru - zestawienie obiegu wody w przyrodzie na poszczególnych obszarach z rozróżnieniem na przychody i rozchody. Oblicza się go ze wzoru Rp+P=Rk+H+E, gdzie:

Rp - suma retencji powierzchniowej i gruntowej

P - opad w okresie bilansowanym

H - suma odpływu powierzchniowego i gruntowego

E - suma parowania z gleb i gruntów, transpiracji roślin oraz intercepcji i parowania z liści

Rk - suma retencji wód powierzchniowych i wód w glebie

7. Związek bilansu wodnego z radiacyjnym gleby (cieplnym)

Równanie bilansu cieplnego

R=LE+T

R - przychód energii cieplnej

L - ciepło parowania

E - parowanie

T - ciepło (energia zużyta na ogrzanie atmosfery)

Współczynnik strat ciepła β=T/R

Współczynnik strat wody α=H/P

Równanie bilansu wodnego

P=H+E

Związek bilansu radiacyjnego z wodnym

R-T=LE

R- βR=L(P-H)

R(1- β)=LP-LH

R(1- β)=LP-LPα

R(1- β)=LP(1-α)

Ilość zużytej energii cieplnej jest proporcjonalna do ilości wyparowanej wody

8. Metody kształtowania stosunków cieplnych w glebie

Nadmiar wody: stosujemy odwodnienie, czyli zwiększamy współczynnik odpływu. Zmniejsza się parowanie i większa ilość energii cieplnej idzie na ogrzanie gleby

Niedobór wody w glebie: stosujemy nawodnienie, zwiększając proces parowania i zużycie na ten cel energii cieplnej. Jednocześnie zmniejszamy ilość ciepła zużywanego na ogrzanie atmosfery.

9. Rozkład opadów, parowania i retencji gruntowej w warunkach Polski

Na podstawie wykresów rozkładu opadów, parowania i retencji wody gruntowej w Polsce można wysnuć następujące wnioski:

- rozkład opadów i parowania jest zależny od temperatury powietrza

- w półroczu zimowym parowanie jest niższe od opadów

- w półroczu letnim parowanie jest wyższe od opadów

- w okresie wiosennym pojawia się nadmiar wody

- w okresie czerwiec-sierpień pojawia się deficyt wody

- najwyższy stopień parowania i opadów występuje w czerwcu-lipcu

- najniższy stopień parowania i opadów występuje w styczniu i lutym

11. Znaczenie i właściwości wody molekularnej – higroskopowej i błonkowatej

Woda higroskopowa – warstwa bezpośrednio przylegająca do cząsteczki gleby, utworzona z pary wodnej powietrza glebowego. Jest wodą silnie związaną niedostępną dla roślin (siła wiązania znacznie przekracza siłę ssącą korzeni). Nie porusza się w glebie, nie rozpuszcza soli , nie zamarza (nawet w -78°C) całkowicie wyparowuje w 105°C. Ilość wody molekularnej zależy od składu granulometrycznego i chemicznego oraz od ilości koloidów glebowych i kompleksu sorpcyjnego. Woda błonkowata - Woda tworząca zewnętrzną warstwę wody molekularnej jest związana siłami molekularnymi przez zewnętrzne warstwy wody higroskopowej. Utworzona z zasobów pary wodnej lub wody wolnej i kapilarnej (roślina jedynie częściowo korzysta z tej wody). Woda ta przemieszcza się wskutek wyrównywania potencjałów (od cząsteczek z grubszą warstwą do tych z cieńszą).

Właściwości wody molekularnej

- może wpływać na niektóre właściwości fizyczne i fizykochemiczne gleby np. kohezję lub kąt tarcia wewnętrznego

- ilość można regulować poprzez zmianę składu jonowego kompleksu sorpcyjnego przez wprowadzenie jonów Na lub Ca i Mg.

- wprowadzając jony Na powiększamy ilość wody molekularnej i obniżamy spójnośc gleby pogarszając strukturę i zmniejszając przepuszczalnośc i natlenienie, zwiększa się podatność na erozję

- wprowadzając jony Ca i Mg zmniejszamy ilość wody molekularnej

13. Właściwości wody błonkowatej, znaczenie

- Woda tworząca zewnętrzną warstwę wody molekularnej – higroskopowej silnie zaadsorbowanych przez fazę stałą jest związana siłami molekularnymi.

-Drobiny wody błonkowatej znajdują się w zasięgu oddziaływania mniejszych sił molekularnych gdyż są bardziej oddalone od powierzchni fazy stałej.

-Utworzona z zasobów pary wodnej lub wody wolnej i kapilarnej (niektóre rośliny posiadające większą siłę ssącą korzeni, jedynie w niewielkim stopniu korzystają z tej wody, wyłącznie z warstewek najbardziej oddalonych od powierzchni fazy stałej – jako najsłabiej związane)

-Woda ta może przemieszczać się wskutek wyrównywania potencjałów (od cząsteczek z grubszą warstwą do tych z cieńszą.

-Ilość tej wody jest około 2 – 4 razy większa od maksymalnej higroskopowości

16. Woda wolna, grawitacyjna właściwości, znaczenie dla roślin

Woda wolna wypełnia pory większe od kapilarnych. Granicą występowania są mezopory. Przemieszcza się pod wpływem sił ciężkości w głąb profilu przenosząc produkty wietrzenia, przemian biochemicznych i składniki odżywcze. Wsiąkając do gleby zatrzymuje się na poziomach trudno przepuszczalnych. Nie jest związana z cząsteczkami gleby ani siłami molekularnymi i kapilarnymi. Jest dostępna dla korzeni roślin.

Woda wolna dzieli się na:

- infiltracyjną, która pojawia się po obfitych opadach deszczu. Występuje głównie w glebach lżejszych, w których dominują żwiry, piaski luźne oraz piaski słabogliniaste.

- podpartą, która pojawia się w glebach niecałkowitych na poziomach nieprzepuszczalnych. Stanowi źródło wody kapilarnej. Ma wpływ na procesy glebowe. Większa ilośc jest niekorzystna, ponieważ powoduje nadmierne uwilgotnienie.

17. Charakterystyka porów glebowych na tle występujących w nich rodzajach wód

>30 nm - woda grawitacyjna (odcika) pF 0-2

30-4 nm - woda kapilarna (łatwo dostępna) pF 2-2,9, efektywna retencja użyteczna i potencjalna retencja użyteczna

4-0,2 nm - woda kapilarna błonkowata (trudno dostępna) pF 2,9-4,2, potencjalna retencja użyteczna

<0,2 nm - woda higroskopowa chemicznie związana (niedostępna)

18. Woda kapilarna, siły odpowiedzialne za jej występowanie, zjawisko wzniosu kapilarnego

Ruch wody w glebie w strefie aeracji skierowany ku górze nazywamy podsiąkiem kapilarnym. Na granicy faz ciekłej z gazową i stałą w kapilarach o średnicy dziesiątych części milimetra występują siły kapilarne, które wciągają i wypychają wodę.

Wyróżniamy wodę kapilarną zawieszoną i z podsiąku.

Siły działające na cząsteczkę cieszy na granicy dwóch ośrodków tworzą napięcie powierzchniowe. Menisk będzie wklęsły gdy siła równoległa, odchodząca od cząsteczki do powierzchni fazy jest większa, a wypukły gdy jest mniejsza od drugiej siły.

Siły van der Waalsa - sił działające na cząsteczki, które są silniejsze od strony cieczy niż ze strony fazy gazowej.

Napięcie powierzchniowe - praca potrzebna do powiększenia powierzchni granicznej między fazami. Najczęściej granica między cieszą i pasą nasyconą.

Wznos kapilarny - zjawisko podnoszenia się wody podziemnej ponad jej zwierciadłem w przewodach włoskowatych pod wpływem działania napięcia powierzchniowego i sił adhezji

19. Znaczenie wody kapilarnej dla rolnictwa

Woda kapilarna: woda występująca w drobnych porach, szczelinach i naczyniach włoskowatych ponad zwierciadłem wód gruntowych, gdyż silniejsze od niej są siły napięcia powierzchniowego. Rośliny mogą pobierać następujące rodzaje wód:

- wodę infiltracyjną (w stopniu ograniczonym do 3 dni po obfitych opadach atmosferycznych)

- wodę kapilarną przywierającą (częściowo tj. wodę, która jest zatrzymywana, w glebie siłami mniejszymi niż siła ssąca korzeni roślin)

- wodę kapilarną właściwą (obniżenie ogólnej ilości wody w glebie, skutkuje spadkiem wody dostępnej dla roślin, a także wpływa na zmniejszenie przyswajalności niektórych składników pokarmowych Zatem można powiedzieć że jest ona niezbędna do uprawy roślin)

21. Wysokość i prędkość wzniosu kapilarnego w zależności od rodzaju gleb

Prędkości kapilarnego podnoszenia

Piasek gruby - 0,12 m/d (d-średnica kapilary)

Piasek średni - 0,21

Piasek drobny - 0,38

Pył gruby - 0,54

Pył drobny - 1,15

Ił pyłowy gruby - 0,49-0,3

Ił pyłowy drobny - 0,14

Ił koloidalny - 0,05

Wysokość podsiąku kapilarnego w centymetrach według Mieczyńskiego

Piasek drobny wiślany - 30 cm

Piasek bardzo drobny trzeciorzędowy - 100 cm

less - 200 cm

22. Zalety i wady kapilarności

Zalety:

- gleby o dużej kapilarności zapewniają roślinom sporo wody dostępnej na transpirację i umozliwiają korzystanie z zapasu wody gruntowej

- gleby o małej kapilarności narażone są na przesuszanie

Wady:

- sprzyja parowaniu z powierzchni gruntu, co traktujemy jako stratę wody

- gleby o dużej kapilarności skłonne są do zabagnień

- zimą może powodować pogorszenie stanu dróg

26. Składowe potencjału wody glebowej, charakterystyka potencjału macierzystego

Na całkowity potencjał glebowy mają wpływ:

- potencjał osmotyczny

- potencjał macierzysty

- potencjał hydrostatyczny, ciśnieniowy

- potencjał grawitacyjny

35. Wykres Janoty – Solarna, zaznaczyć podstawowe stany uwilgotnienia