Gleba - Produkt procesów biogeochemicznych i najbardziej powierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej

czynniki środowiska glebowego: czynniki abiotyczne i biotyczne

Proces tworzenia się gleby

1. Wietrzenie skały macierzystej: rozdrabnianie i przemiany chemiczne minerałów, w tym przechodzenie niektórych związków do roztworów wodnych

2. Erozja skał i kolonizacja terenu przez organizmy żywe

1. promieniowce, bakterie, glony

2. rośliny naczyniowe

3. Teren pokrywa coraz grubsza warstwa gleby

4. Stabilizacja składu chemicznego i biotycznego gleby

Proces tworzenia się gleby

Gleba: 45% cząstki mineralne, 5% próchnica, 30% woda, 20% powietrze

Profil glebowy - zróżnicowany jest na tzw. poziomy genetyczne. Im gleba jest starsza tym profil jej jest bardziej zróżnicowany, a poziomy wyraźniej wykształcone

1. Poziom akumulacyjny (A): poziom ściółki leśnej (A₀) i poziom próchniczy (A₁)

składniki organiczne, próchnica, składniki mineralne

2. Poziom eluwialny (A₂)

powstaje wskutek ługującego działania zakwaszanej wody opadowej, która przesiąka w głąb profilu glebowego

3. Poziom iluwialny (B)

powstaje na skutek strącania się związków wymywanych w wyższych części profilu glebowego w niższe

4. Poziom glejowy (G)

powstaje w warunkach nadmiernego uwilgotnienia i słabego przepowietrzania gleby

5. Poziom skały macierzystej (C)

warstwa skalna, z której wytworzyła się dana gleba

6. Skały podścielające (D)

Mechaniczny skład gleby: Procentowy udział mineralnych cząstek gleby należących do trzech podstawowych frakcji mechanicznych: piasku, pyłu oraz iłu

Skład granulometryczny:

• cząstki szkieletowe (średnica>1 mm)

• cząstki ziemiste (średnica od 0,01 do 1 mm)

• cząstki spławialne (średnica<0,01 mm)

Grupy mechaniczne gleb

• kamieniste

• żwirowe

• piaskowe

• pyłowe

• gliniaste

• ilaste

Rodzaje gleb w zależności od ich składu mechanicznego

1. Gleba ciężka

• składa się z najdrobniejszych cząstek

• zawiera małą ilość piasku

• zawiera małą ilość próchnicy

• przykłady: gleba gliniasta i ilasta

2. Gleba lekka

• składa się w większości z piasku

• zawiera niewielką ilość gliny

• zawiera niewielką ilość próchnicy

Właściwości mechaniczno-fizyczne gleby

1. Porowatość: gleba kamienista > glina i ił

2. Przepuszczalność

3. Pojemność wodna gleby: gleba gruboziarnista < gleba drobnoziarnista

4. Kapilarność: duża kapilarność, płytkie wody podziemne gleby stale podmokłe

5. Przewiewność

6. Temperatura

Gleba a zjawiska sorpcyjne

Sorpcja zdolność gleby do zatrzymywania i pochłaniania różnych składników

Kompleks sorpcyjny gleb zbudowany jest z koloidów glebowych

Znaczenie właściwości sorpcyjnych gleby:

• regulacja odczynu gleby

• magazynowanie dostarczanych w nawozach składników pokarmowych roślin

• neutralizacja szkodliwych substancji

Koloidy kompleksu sorpcyjnego

Koloidy glebowe – budowa:

• jądro

• wewnętrzna powłoka jonów

• zewnętrzna warstwa nieruchomych jonów

Koloidy glebowe – podział:

• naładowane dodatnio

• naładowane ujemnie

• Cząstki koloidalne otoczone warstwą dyfuzyjną = micelle

Rodzaje sorpcji w środowisku glebowym

• Adsorpcja chemiczna

• Adsorpcja fizyczna

• Wymiana jonowa

• Sorpcja biologiczna

• Sorpcja mechaniczna

Heterogenność gleby

• litosfera

• hydrosfera

• atmosfera

Litosfera gleby

• substancje mineralne

  • kationy i aniony nieorganiczne

  • ił koloidalny

• substancje organiczne

  • substancje próchnicowe

  • substancje niepróchnicowe

• Kationy i aniony nieorganiczne

  • w formie przyswajalnej rozpuszczalne w wodzie

  • przykłady: saletry, chlorki

  • w formie nieprzyswajalnej nierozpuszczalne w wodzie

  • przykłady: skalenie

Powszechne minerały glebowe:

• wiwianit

• glaukonit

• apatyt

• skalenie

• mika

• glinokrzemian

• kalcyt

Ił koloidalny: Frakcja najbardziej rozdrobnionych, zwietrzałych minerałów i skał

• znaczenie koloidów mineralnych:

• wpływ na warunki wodno-powietrzne w glebie

• siedlisko mikroorganizmów

• sorbcja substancji biologicznie czynne

Substancje organiczne

• ¾ mineralizacja substancje niepróchnicowe

  • związki organiczne w stadium początkowego rozkładu lub produkt daleko posuniętej biodegradacji

• ¼ humifikacja próchnica (źródło substancji pokarmowych dla mikroorganizmów):

  • nieswoiste substancje humusowe (10%)

  • swoiste substancje próchnicowe (90%)

Proces mineralizacji i humifikacji

Humifikacja

Mikroorganizmy – bakterie, promieniowce, grzyby

• rozkład w substancji organicznej łatwo przyswajalnych połączeń lub przemiana tych bardziej odpornych

• synteza nowych wiązań

• hydroliza obumarłych komórek mikroorganizmów

Teorie humifikacji

• Teoria Waksmana (ligninowa)

  • Lignina (rozkład):

  • Jednostki strukturalne ligniny dalszy rozkład przez mikroorganizmy

  • Pozostałości po rozkładzie ligniny kwas huminowy kwas fulwowy

• Teoria polifenoli (Flaiga)

  • Lignina jednostki fenylopropanowe chinony

  • Chinony + związki azotowe związki próchnicze

• Teoria poliolefin (Kononowej)

  • Polifenole są syntetyzowane z ligniny i z celulozy

• Teoria kondensacji cukrowo-białkowej

  • Cukry i aminokwasy podlegają nieenzymatycznej polimeryzacji do azotowych polimerów

Humus: Złożony kompleks, w którym jądro aromatyczne połączone jest z bocznymi łańcuchami o bardzo różnym składzie, zależnym od substratu, z którego powstają

• Kwasy fulwowe

  • najmniej skarbonizowane

  • najlepiej utlenione

  • mała masa cząsteczkowa

  • duża ruchliwość

  • silny charakter kwasowy

  • stanowią 20% próchnicy

• Kwasy huminowe

  • bardziej skondensowane

  • bardziej skarbonizowane

  • mniej ruchliwe

  • bardzo łatwo ulegają hydrolizie mikrobiologicznej

  • podział: kwasy huminowe właściwe, kwasy huminowe

• Huminy

  • najmniej ruchliwe

  • tworzą kompleksy huminowo-iłowe

  • bardzo powolny rozkład pod wpływem drobnoustrojów

Hydrosfera gleby (roztwór glebowy): Woda z rozpuszczonymi w niej substancjami organicznymi i mineralnymi, stanowiąca środowisko dla mikroorganizmów

• Ciśnienie osmotyczne - zwiększa się w miarę przesuszania gleby

• Właściwości buforowe - zdolność przeciwstawiania się zmianom w reakcjach zakwaszenia i alkalizacji

• Rodzaje wody w glebie:

  • woda higroskopijna

  • woda grawitacyjna

  • woda gruntowa

  • woda kapilarna

Atmosfera gleby (powietrze glebowe) - Powietrze wypełniające wolne przestrzenie między stałymi cząsteczkami, nie zajęte przez wodę, jego ilość waha się w granicach od 8 do 35% objętości gleby

Bonitacja gleb: Ocena jakości gleb pod względem ich wartości użytkowej:

• budowa profilu

• stosunki wilgotnościowe, uwarunkowane położeniem w terenie

• wysokość nad poziomem morza

Klasyfikacja gleb ornych

Klasa I (gleby orne najlepsze)

• najbardziej zasobne w składniki pokarmowe

• łatwe do uprawy

• czarnoziemy, gleby brunatane, rędziny, mady

Klasa II (gleby orne bardzo dobre)

• położone w mniej korzystnych warunkach terenowych niż gleby

Klasa III (a i b) (gleby orne średnio dobre)

• gleby brunatne i bielicowe

• można już zaobserwować procesy ich degradacji

• duże wahania poziomu wody

• gorsze właściwości fizyczne i chemiczne

Klasa IV (a i b) (gleby orne średnie)

• plony roślin uprawnych znacznie niższe w porównaniu z glebami klas wyższych

• bardzo podatne na wahania poziomu wód gruntowych

Klasa V (gleby orne słabe)

• gleby kamieniste lub piaszczyste o niskim poziomie próchnicy

• ubogie w substancje organiczne

• gleby orne położone na terenach nie zmeliorowanych lub nie nadających się do melioracji

Klasa VI (gleby orne najsłabsze)

• nadają się jedynie do zalesiania

• posiadają bardzo niski poziom próchnicy

Mikroorganizmy w glebie

• 1 g gleby 1-5 miliardów mikroorganizmów

• mikroorganizmy gromadzą się przede wszystkim wokół korzeni (w ryzosferze) i w warstwie próchniczej gleby. Największa ich koncentracja występuje zwykle na głębokości 5-20 cm pod powierzchnią gleby

Czynniki wpływające na rozwój mikroorganizmów glebowych

1. Temperatura: 20-30°C

2. Woda i powietrze: Zarówno przesuszenie jak i nadmierna ilość wody w glebie wpływają hamująco na rozwój większości mikroorganizmów

3. Źródło energii organicznych związków węgla

4. Azot i związki mineralne

5. Odczyn środowiskowy

Zespoły mikroorganizmów glebowych

• Mikroorganizmy autochtoniczne

  • występują w glebie zawsze

  • Arthrobacter, Corynebacterium, Mycobacterium od 50 do 80%

  • promieniowce

  • bakterie autotroficzne

  • Azotobacter, Rhizobium

  • Pseudomonas

• Mikroorganizmy zymogenne

  • rozwój uwarunkowany jest dopływem do gleby łatwo przyswajalnej materii organicznej

• Mikroorganizmy alochtoniczne

  • przeniesione do gleby z innych środowisk

Klasyfikacja organizmów glebowych

Mikroorganizmy

• Wirusy

• Mikroflora glebowa

• Mikrofauna glebowa

Mezofauna

Makroorganizmy

Zanieczyszczenia bakteriologiczno-sanitarne gleby

• odchody ludzkie lub zwierzęce: mikroorganizmy chorobotwórcze

• osady ściekowe: mikroorganizmy chorobotwórcze, jaja robaków

Mikroorganizmy chorobotwórcze
w glebach

1. Wirusy chorobotwórcze układ pokarmowy i oddechowy

• przeżywalność do kilku miesięcy

• Wirus Polio (poliomyelitis), wirus Coxsackie, ECHOwirus

2. Bakterie chorobotwórcze

• do gleby dostają się: bezpośrednio i pośrednio

• beztlenowe: Clostridium tetani, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Bacillus anthracis

• tlenowe: Mycobacterium tuberculosis, bakterie rodzaju Salmonella, bakterie rodzaju Shigella

• patogeny człowieka nie namnażają się w glebi

3. Grzyby chorobotwórcze

4. Pierwotniaki i robaki układ pokarmowy

pierwotniaki

• Entamoeba histolytica

• Giardia lamblia

robaki pasożytnicze

• Ascaris lumbricoides

• Enterobius vermicularis

• Toxocara

• Trichocephalus trichiurus

• Taenia solium

• Echinococcus granulosus

• Fasciola hepatica

Bakterie jako wskaźniki w analizie sanitarno-bakteriologicznej

• nieprzetrwalnikujące bakterie grupy coli: świeżo zanieczyszczona fekaliami gleba

• wytwarzające przetrwalniki bakterie Clostridium perfringens, gleby, które dawno uległy zanieczyszczeniu

Bakterie jako wskaźniki w analizie sanitarno-bakteriologicznej

• miano coli

• miano Escherichia coli wskaźnik świeżego zanieczyszczenia

• miano Clostridium perfringens wskaźnik odległego zanieczyszczenia

• ogólna liczba bakterii wegetatywnych i przetrwalnikujących wskaźnik intensywności i kierunku procesów zachodzących w glebie

• miano enterokoków wskaźnik fekalnego zanieczyszczenia

• ogólna liczba bakterii termofilnych wskaźnik rodzaju zanieczyszczenia

• miano bakterii Proteus vulgaris wskaźnik intensywności przebiegu procesów gnilnych

Kontrola osadów ściekowych

• Escherichia coli wskaźnik obecności bakterii patogennych w Polsce

• Salmonella wskaźnik obecności bakterii patogennych w Europie Zachodniej

• jaja Trichocephalus trichuris i Ascaris lumbricoides wskaźnikiem obecności pasożytów przewodu pokarmowego

Degradacja a dewastacja gleb

Degradacja gleby – pomniejszenie lub zniszczenie ekologicznej i produkcyjnej wartości gleby

Dewastacja gleby – techniczne zniszczenie gleby i szaty roślinnej, najwyższa forma degradacji gleb

Przyczyny degradacji gleb

• naturalne

  • erozja

  • pożary

  • susza

  • trzęsienia ziemi

• antropogeniczne

  • chemizacja rolnictwa

  • eksploatacja kopalin

  • techniczna zabudowa

  • składowiska odpadów

Chemiczne zanieczyszczenia gleb zanieczyszczenia zmęczenie gleb

samooczyszczanie gleb

• rodzaj i ilość wnikających substancji

• właściwości i sposób użytkowania ziemi

Chemiczne zanieczyszczenia gleb

1. Związki siarki dwutlenek siarki, kwas siarkowy (VI), tlenek siarki V, siarczek żelaza, siarkowodór

2. Związki sodu chlorek sodu, siarczan VI sodu węglan sodu ; zasolenie gleby

3. Związki azotu amoniak

• methemoglobinemia

• prekursory nitrozoamin

4. Związki ropopochodne

5. Metale ciężkie ołów, rtęć, cynk

6. Substancje radioaktywne stront

7. Środki ochrony roślin

Wpływ związków siarki na organizmy

• pośredni wymywanie substancji mineralnych

• bezpośredni zakwaszanie gleby

Związki ropopochodne

Wielopierścieniowe Węglowodory Aromatyczne (WWA)

• silne działanie rakotwórcze

• silne działanie mutagenne

• w glebie rozkładane przez bakterie, grzyby, promieniowce

początkowy etap rozkładu węglowodorów uaktywnieniu cząsteczek WWA przez O2

• >0,05%

Metale ciężkie w glebach

• Źródła metali ciężkich

  • Pyły przemysłowe

  • Spaliny samochodowe

  • Pestycydy (ich przemiany)

  • Nawozy sztuczne

• Podział metali ciężkich wg.wzrastającej szkodliwości

  • grupa pierwsza – Pb

  • grupa druga – Hg, As

  • grupa trzecia – Sr, Ni, Cr, Cd

• Formy występowania metali ciężkich

  • zredukowane lub utlenione

  • zaadsorbowane na układach nieorganicznych i organicznych

  • skompleksowane i schematyzowane z ligandami

  • zmetylowane

  • „wolne” uwodnione jony

  • sole o różnej rozpuszczalności

Działanie metali ciężkich w środowisku glebowym

Erozja - Proces rozmywania (erozja wodna) lub rozsiewania (erozja wietrzna) powierzchniowej warstwy gleby

• niewłaściwy wypas bydła

• nieprawidłowe melioracje wodne

• wadliwa uprawa roślin uprawnych

• nieprawidłowa uprawa ziemi

• niszczenie naturalnej szaty roślinnej

Pustynnienie i stepowienie - Proces spowodowany postępującym niedostatkiem wody w glebie i w przyziemnej części atmosfery

• pozbawienie ziemi ochrony roślinnej

• wadliwe przeprowadzane melioracje

• nadmierne użytkowanie

• zmniejszenie ilości i regularności opadów atmosferycznych

• intensywny spływ powierzchniowy

• zwiększone parowanie

Zniekształcenie gruntów - Niekorzystne zmiany budowy i właściwości powierzchni ziemi i stosunków wodnych na danym terenie

• tereny zawodnione

• tereny pozbawione szaty roślinnej

• obszary pod zabudowę

• osuwiska

• zapadliska i wypiętrzania na terenach górniczych

• wyrobiska i zwałowiska pokopalniane

Ocena chemiczno-sanitarna gleby

• badanie chlorków

• badanie obecności związków azotowych pochodzenia organicznego i nieorganicznego

Wpływ zanieczyszczeń gleb na środowisko i życie człowieka

• Kumulacja substancji toksycznych w roślinach

• Eutrofizację wód powierzchniowych i podziemnych

• Hamowanie rozwoju organizmów, niszczenie szaty roślinnej zakwaszenie

• gleb

• Zmniejszenie przyrostu masy roślinnej, zmniejszenie plonowości metale ciężkie

• Pogorszenia się jakości plonów, zanik aktywności mikroflory glebowej nawozy sztuczne

  • nadmiar potasu

    • choroby zwierząt

  • nadmiar wapnia

    • chloroza liści

    • zakłócenie metabolizmu węglowodanów i białek

  • nadmiar azotu

    • człowiek: methemoglobinemia

    • zwierzęta: obniżenie mleczności, niepłodność, powolny wzrost

• Zaburzenie właściwości chemicznych i biologicznych gleb przenawożenie gnojowicą

• Zatrucia ptactwa i innych zwierząt oraz liczne schorzenia u człowieka skażenie pestycydami

Higieniczno-zdrowotne znaczenie gleb

1. Gleba jest dobrym filtrem dla wód opadowych

2. W glebie zachodzą procesy unieszkodliwiania nieczystości i odpadków

3. Gleba może sprzyjać rozwojowi wilgoci ścian i budynków

4. Gleba może zanieczyszczać wody podziemne i powietrze atmosferyczne

5. Gleba może być przyczyną powstawania chorób zakaźnych i pasożytniczych