Wykład III
Najważniejszą fizycznego punktu widzenia cechą mineralnej części fazy stałej gleby jest stopień jej rozdrobnienia (dyspersji), czyli uziarnienie lub skład granulometryczny (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 zapewnie 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
| m2*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 głównie ładunków 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
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
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
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