Trójfazowy układ gleby.
Faza stała - substancje mineralne, organiczne i mineralno - organiczne
Faza ciekła - woda z rozpuszczonymi substancjami - roztwór glebowy
Faza - gazowa - mieszanina gazów i pary wodnej - powietrze glebowe
Całkowita objętość gleby: V = Vs + Vp Vp = Vw + Va
Pomiędzy powietrzem glebowym (a) a wodą glebową (w) istnieje układ antagonistyczny , gdyż mogą zajmować tylko tę objętość gleby, która nie jest wypełniona fazą stałą (s) i im więcej wody tym mniej powietrza i odwrotnie
Właściwości fizyczne gleby:
a. pierwotne -skład granulometryczny -gęstość właściwa = ciężar właściwy -gęstość objętościowa -porowatość -struktura -zwięzłość -plastyczność -lepkość -pęcznienie
-kurczliwość -barwa -układ gleby
b. wtórne -wodne -powietrzne -cieplne
Gęstość właściwa
-dotyczy fazy stałej , jest stała dla danej gleby
-zależy od: składu mineralnego i zawartości substancji organicznej
-nie zależy od: składu granulometrycznego, struktury i wilgotności
-wielkość:
* dla gleb mineralnych-2,5-2,8 g/cm3
* poziom zasobny w materie organiczną - ok. 2,4 g/cm3
* dla gleb torfowych - 1,5-1,8 g/cm3
-metoda oznaczania PN-ISO 11508:2001 Jakość gleby --Oznaczanie gęstości fazy stałej
* piknometryczna
* biuretowa
-znaczenie:
* wnioskowanie o składzie mechanicznym
* pojemność i stopień rozkładu gleb organicznych
* obliczanie porowatości
Gęstość objętościowa
-dotyczy fazy stałej gleby i gazowej, jest zmienna dla danej gleby
-zależy od: struktury, układu, składu granulometrycznego, gęstości właściwej, systemu uprawy, rodzaju roślinności.
-wielkości:
* gleby luźne i porowate-małe
* gleby zbite-duża
* gleby piaszczyste-zwarto ułożone cząstki-duża
* gleby drobnoziarniste-struktura gruzełkowata-mała
> poziomy przypowierzchniowe:
* gleby piaszczyste - 1,2-1,9 g/cm3
*gleby gliniaste, pylaste, iłowe-0,9-1,6 g/cm3
*gleby bardzo zbite-ok. 2,0 i więcej
-gęstość objętościowa wzrasta wraz z głębokością
-metoda oznaczania PrPN-ISO 11272 Jakość gleby --Oznaczanie gęstości
gleby suchej:
*cylinder V= 100 cm3
*próby o nienaruszonej strukturze
*ważenie gleb w stanach wilgotnym i suchym
-znaczenie:
*wnioskowanie o stosunkach powietrznych
*wnioskowanie o stopniach zbitości
Gęstość objętościowa gleby wilgotnej (chwilowa):
-dotyczy 3 faz: stałej, ciekłej i gazowej,
-metoda oznaczania:
*cylinder
*próby o nienaruszonej strukturze
Porowatość
Suma objętości wolnych przestrzeni w jednostce objętości gleby.
-ogólna (suma kapilarnej i niekapilarnej) -kapilarna -niekapilarna
a. pory kapilarne-mają zdolność przenoszenia wody: jako średnicę graniczną przyjmuje się różne wielkości od 3-0,5 mm
Wyróżniamy:
-makropory-średnica > 30 m m, wypełnione powietrzem
-mezopory-średnica 0,2-30 mm, wypełnione powietrzem i wodą dostępną dla roślin
-mikropory-średnica < 0,2 mm, wypełnione wodą niedostępną dla roślin
b. pory niekapilarne-stanowią różnice między pomiędzy porowatością ogólną a porami kapilarnymi, wypełnione z reguły powietrzem, jedynie przy nadmiernej wilgotności wodą.
-suma porów niekapilarnych to pojemność powietrzna przy nasyceniu kapilarnym
-porowatość wyraża się zwykle w % objętości masy gleby i wynosi od 30% w piaskach luźnych do ponad 50% w glinach i iłach
Porowatość zależy od: -składu granulometrycznego -struktury -układ gleby -zawartość próchnicy
Porowatość
-większa w poziomach próchnicznych i czynnych biologicznie, a mniejsza w skale macierzystej -maleje w miarę głębokości -gleby strukturalne-znaczna porowatość
-gleby drobnoziarniste-wytworzone z glin i iłów są bardziej porowate od gleb gruboziarnistych wytworzonych z piasków
Podział fazy stałej na frakcje granulometryczne
Skład granulometryczny -procentowa zawartość poszczególnych cząstek mineralnych gleby zwanych frakcjami granulometrycznymi.
Frakcja - zbiór ziaren (cząstek) o określonych średnicach, mieszczących się w przedziale liczb granicznych, które wyznaczają największą i najmniejszą średnicę zastępczą
Średnica zastępcza - średnica kuli , która w ośrodku dyspersyjnym opadałaby z taką samą prędkością jak cząstka rzeczywista, przy identycznych ciężarach właściwych. Średnicą zastępczą można nazwać również wymiary oczek sit: plecionych i perforowanych
Grupa granulometryczna -to grupa gleb zbliżonych do siebie składem granulometrycznym . Określa się na podstawie procentowego podziału:
1.zawartości dominującej frakcji w danym utworze glebowym
2.zawartości części spławialnych (mniejszych od 0,02 mm) w tym samym utworze glebowym
Podział fazy stałe na frakcje granulometryczne wg. BN-78/9180-11
jest nieaktualny - obowiązuje PN-R-04033:1998
Części szkieletowe > 2,0 mm 1) Frakcja kamienista > 75,0 mm 2) Frakcja żwirowa 2,0 mm- 75,0 mm Części ziemiste < 2,0 mm 1) Frakcja piaskowa 0,05 mm -2,0 mm 2) Frakcja pyłowa 0,002 mm -0,05 mm 3) Frakcja iłowa < 0,002 mm
W zależności od procentowego udziału w glebie poszczególnych frakcji granulometrycznych mineralne utwory glebowe dzieli sie na grupy i podgrupy granulometryczne.
Podział w zależności od procentowej zawartości części szkieletowych:
• utwory szkieletowe (> 60%) • utwory szkieletowate (5 - 60%) • zwykłe (<5%)
Utwory te podlegają dalszym podziałom w zależność od udziału poszczególnych frakcji.
Utwory zwykłe dzieli się na grupy: 1. piaski, 2. gliny, 3. iły, 4. pyły.
Utwory zawierające piasek dzieli się na:
-gruboziarniste (25% i więcej piasku b. grubego i grubego oraz mniej niż 50% piasku o innej granulacji)
-średnioziarniste (25% i więcej piasku b. grubego, grubego i średniego oraz mniej niż 50% piasku drobnego i b. drobnego)
-drobnoziarniste (50% i więcej piasku drobnego lub mniej niż 25% piasku b. grubego, grubego i średniego oraz mniej niż 50 % piasku b. drobnego)
-b. drobnoziarniste (50% i więcej piasku b. drobnego)
Utwory szkieletowate dzielą się na:
-słabo szkieletowate od 5 do 15% części szkieletowych
-szkieletowate od 15 do 25 % części szkieletowych
-mocno szkieletowate od 25 do 35% części szkieletowych
-bardzo mocno szkieletowate od 35 do 60% części szkieletowych
Utwory szkieletowe dzielą się na:
-piaszczysto - szkieletowe, gdy części ziemiste mają uziarnienie piasków,
-gliniasto - szkieletowe, części ziemiste mają uziarnienie glin,
-ilasto - szkieletowe, gdy części ziemiste mają uziarnienie iłów
Metody oznaczania składu granulometrycznego:
a) metoda polowa-organoleptyczna b) metody laboratoryjne -sitowa -odwirowania -metody sedymentacyjne (prawo Stokes'a): metoda Atterberga metoda pipetowa metoda areometryczna wg. Pruszyńskiego
Charakterystyka poszczególnych frakcji:
1. Części szkieletowe - mają zwykle ten sam skład co skały macierzyste z których powstały wskutek wietrzenia fizycznego. Najczęstszym minerałem tworzącym jest kwarc. Gleby o dużej zawartości tych frakcji są trudne w uprawie, choć w pewnej ilości poprawiają przenikalność wody powietrza i korzeni roślin.
2. Ziarna piaskowe - najczęściej zbudowane z kwarcu z domieszką skaleni i mik
3. Cząstki pyłowe-mączka skalna składająca się z drobnych ziaren kwarcu i bezpostaciowej krzemionki W najdrobniejszej frakcji pył tworzony jest prawie wyłącznie przez bezpostaciową krzemionkę
4. Cząstki ilaste - frakcja zawiera minerały ilaste , substancje organiczne, wodorotlenki glinu, żelaza i manganu, kalcyt, fosforany żelaza i wapnia, Odpowiednia zawartość tej frakcji decyduje o odpowiedniej strukturze gleby oraz właściwościach fizykochemicznych
Ilość i właściwości wody w glebie zależą od: -klimatu, -rzeźby terenu -Warunków hydrologicznych -Budowy gleby-Sposobu użytkowania
-Zastosowanych zbiegów melioracyjnych i agrotechnicznych
Faza ciekła gleby
Woda w glebie podlega działaniu sił: -elektrostatycznych -kapilarnych -osmotycznych -grawitacji
Całkowita siła wiążąca wodę z glebą zwana jest siłą ssącą lub termodynamicznym potencjałem wody glebowej
Postacie wody w glebie: 1. woda w postaci pary wodnej 2. woda molekularna a) woda higroskopowa b) woda błonkowata 3. woda kapilarna a) woda kapilarna właściwa b) woda kapilarna zawieszona 4. woda wolna a) woda infiltracyjna (przesiąkająca) b) woda gruntowo glebowa
Woda w postaci pary wodnej
Cechy: -ciągła wymiana między glebą a atmosferą ( gdy prężność pary jest większa w powietrzu glebowym niż w powietrzu atmosferycznym -gleba traci wodę, gdy mniejsza - gleba jest nawilżana) -przemieszczanie (różnica prężności w stykających się fragmentach gleby, różnice temperatur) -brak przenoszenia substancji chemicznych
Ilość pary wodnej którą gleba pochłonąć z powietrza zależy od: -uziarnienia gleby, -zawartości materii organicznej, -rodzaju koloidów glebowych -rodzaju jonów wysycających glebowe sorbenty -temperatury i wilgotności powietrza
O istnieniu wody molekularnej decydują siły elektrostatyczne wnikające z niezobojętnionych ładunków elektrycznych obecnych na powierzchni gleby oraz sił Van der Waalsa. Adhezja drobin wody na powierzchni cząstek gleby jest możliwa dzięki dipolowej strukturze wody.
Właściwości: -zależy od ilości, składu jonowego i rodzaju koloidów glebowych; jony Na+
zwiększają ilość tej wody, jony Ca2 + i Mg2+ zmniejszają; -woda higroskopowa jest niedostępna dla roślin; max. jej zawartość waha się od 0,1 do 39,0%. - Woda błonkowata jest niedostępna dla roślin, część z niej jest bardzo trudnodostępna dla roślin; ilość jest 2-4-krotnie wyższa niż wody higroskopowej.
Woda kapilarna to woda to woda utrzymywana w wąskich przestworach
siłami adhezji i napięcia powierzchniowego. Wysokość podsiąku kapilarnego oblicza się z uproszczonego wzoru: H= 0,3 x d -1 d - średnica kapilary albo w przypadku podsiąku użytecznego H = c / (e x d10) c - współczynnik empiryczny ( 0,1 - 0,5) e - wskaźnik porowatości d10 - średnica miarodajna
Woda kapilarna właściwa: -to woda w kontakcie z wodą gruntowo-glebowa, podnoszona w
kapilarnych kanalikach glebowych ponad zwierciadło wody, przy czym wysokość podnoszenia zależy od składu granulometrycznego i struktury gleby
W zasięgu podsiąkania kapilarnego wyróżnia się dwie strefy: -strefa wody kapilarnej w. zamkniętej - bezpośrednio nad wodą gruntowo - glebową, -strefa wody kapilarnej w. otwartej - szersze pory kapilarne wypełnia powietrze
Woda kapilarna przywierająca - pochodzi z opadów atmosferycznych, nawodnień , spływu
powierzchniowego i utrzymuje się w kapilarach, gdy siły kapilarne
przewyższają siły zmierzające do przesunięcia wody w dół.
Występuje wtedy gdy siły kapilarne utrzymujące wodę w rurce
kapilarnej przewyższają siły grawitacji.
Woda wolna
Woda przemieszczająca się pod wpływem sił grawitacji oraz wypełniająca pory większe od kapilarnych
Woda infiltracyjna (przesiąkająca) - zwana grawitacyjną pojawia się po obfitych opadach
Woda gruntowo - glebowa -woda zatrzymana przez warstwę nieprzepuszczalną
Wilgotność gleb
Wilgotność wagowa - W = Mw / Ms x 100%
Wilgotność objętościowa Q = Wo = Vw / V x 100%
Stopień wilgotności Sw = Vw/Vp
Metody pomiaru: -metoda grawimetryczna, -metoda neutronowa, -metoda reflektometrii w domenie czasu
Potencjał wody glebowej jest równy pracy jaka towarzyszy przeniesieniu jednostkowej masy wody, znajdującej się na umownym poziomie zerowym w polu grawitacyjnym, do roztworu glebowego znajdującego się w dużej objętości gleby o określonej wilgotności. Wyznaczenie absolutnych wartości potencjału jest niemożliwe, można tylko określić jego zmianę lub wartość w stosunku do stanu odniesienia. Całkowity potencjał wody jest sumą potencjałów składowych związanych z siłami wzajemnego oddziaływania faz gleby oraz występującymi siłami zewnętrznymi: Yc = Ym + Yp + Yo + Yg
Ym - potencjał matrycowy związany ze zmianami wilgotności gleb
Yp - potencjał związany ze zmianami ciśnienia zewnętrznego
Yo - potencjał osmotyczny związany ze stężeniem soli w roztworze
Yg - potencjał grawitacyjny
Jednostkami pomiaru potencjału są jednostki ciśnienia. Metody pomiaru: tensjometryczna, psychrometryczna lub punktu rosy
Chemizm roztworu glebowego
Skład roztworu glebowego: -jony H+, Na+, K+, NH4 +, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, HCO3-, Cl-, NO3 -,CO3 2-, SO4 2--substancje organiczne -gazy O2, CO2, CH4, N2, H2S
Mineralizacja wody kapilarnej waha się w granicach od 100 do 3000 mg/L
Mineralizacja wody gruntowo -glebowej jest znacznie niższa niekiedy nawet mniejsza niż 100 mg/L
Retencja wody glebowej
Retencja glebowa - zdolność gleby do zatrzymywania wody opadowej
Retencja użyteczna - część zgromadzonej w glebie wody z której mogą korzystać rośliny Retencja całkowita - maksymalna pojemność wodna Retencja polowa - polowa pojemność wodna Retencja higroskopowa - maksymalna higroskopowość
Krzywa sorpcji wody (krzywa pF) wykres przedstawiający zależność pomiędzy siłą ssącą gleby a jej wilgotnością. Wykreślana jest na podstawie pomiarów ilości wody odsączającej się z gleby przy wywieraniu na nią określonego ciśnienia.
Graniczne wartości pF odpowiadają różnym formom wody i stopniom jej dostępności:
MH - maksymalna higroskopowość
PTWR (WTWR) - punkt (wilgotność) trwałego więdnięcia roślin - 4,2 pF
CHWR - całkowite hamowanie wzrostu roślin - 3,7 pF PHWR - początek hamowania wzrostu roślin -2,8 pF
PPW - polowa pojemność wodna - woda pozostająca w glebie po odcieku wody grawitacyjnej, utrzymywana siła 2,5 pF WGWP - woda grawitacyjna wolno przesiąkająca - 2,2 pF
CPW (MPW) - całkowita (maksymalna) pojemność wodna
Ruch wody w glebie
Przepuszczalność wodna - warunki ruchu wody podczas wchłaniania wody opadowej przez glebę oraz przesiąkania (filtracji wody gruntowej)
Wchłanianie następuje w dwóch etapach:
• nasiąkanie gleby wodą (przechodzenie części wody wolnej w wodę molekularną i kapilarną)
• pionowe przesiąkanie wody wolnej (infiltracyjnej) po nasyceniu polowej pojemności wodnej
Podczas przesiąkania (filtracji) ruch wody odbywa się głównie w kierunku poziomym i przebiega w porach w pełni nasyconych wodą. Prawo Darcy: Q = k x w x I x t
Gospodarka wodna gleb
Ilość wody zmagazynowanej w glebie zależy od: 1. warunków klimatycznych 2. ukształtowania terenu 3. zdolności retencyjnej gleby 4. warunków tworzenia się poziomu wody gruntowo - glebowej 5. działalności gospodarczej człowieka
Bilans wodny gleby:
W = Wo + (So + K + Wg +Wn) - (T + P + Sp + Sgr)
Wo - zapas wody na początku badanego okresu So - suma opadów K - kondensacja pary wodnej Wg - podsiąk kapilarny Wn - napływ T - transpiracja i parowanie roślin P - wielkość parowania Sp -odpływ powierzchniowy Sgr --odpływ podziemny
Stosunki wodne gleb
Typy gospodarki wodnej
a) wg Rodego 1. marzłociowy - strefa wiecznej zmarzliny 2. perkolacyjny - roczna suma opadów jest większa od sumarycznej ilości wody wyparowanej z gleby 3. okresowo perkolacyjny - średnia wieloletnia opadów równa się średniej wieloletniej parowania
4. nieperkolacyjny - suma opadów zawsze mniejsza od parowania 5. typ z przewagą desukcji (transpiracji roślin) i parowania fizycznego przekraczającego ilość rocznych opadów
6. typ z przewagą parowania fizycznego - wyższy poziom zalegania wód gruntowych powodujący sięganie strefy podsiąku kapilarnego do powierzchni gleby
W Polsce przeważają typy perkolacyjny i okresowo -perkolacyjny
b) wg Skawiny - kryterium położenie zwierciadła wody gruntowo - glebowej w stosunku do strefy korzenienia roślin z uwzględnieniem podsiąku kapilarnego
Czynniki wpływające na zmiany stosunków wodnych: -zmiany klimatyczne -działalność człowieka: a) pobór wód podziemnych b) drenujące działanie wyrobisk górniczych c) budowle hydrotechniczne d) zanieczyszczenie wód zawiesinami e) melioracje
Faza gazowa gleby
Powietrze w porach glebowych zajmuje przestrzenie o średnicy większej niż te wypełnione wodą W przypadku niskich porowatości powietrznych (poniżej 0,1 m3/m3) powietrze glebowe nie tworzy połączeń ciągłych co uniemożliwia wymianę gazową między glebą a atmosferą.
Właściwości aeracyjne gleby
Aktywność respiracyjna gleby - proces y oddychania mikroorganizmów glebowych i korzeni roślin wyższych
Iloraz oddychania - stosunek objętości wydzielonego CO2 do objętości zużytego O2
Zależy od: -typu przemiany, -substratu ulegającego utlenieniu
Aktywność respiracyjna zależy od: -wilgotność -temp-dopływ substancji organicznych i mineralnych -pokrywa roślinna
Właściwości cieplne i stosunki termiczne gleby
Ciepło właściwe - ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy danej
substancji o 1 K [ J x kg -1 x K-1 ] Ciepło właściwe mineralnej części fazy stałej (w danej temperaturze) jest stałe
Objętościowa pojemność cieplna gleby ( Cv ) - zdolność do ogrzewania się gleby - ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostkowej objętości gleby o nienaruszonej strukturze o 1 K [ J x m -3 x K-1 ]
Wartość objętościowej pojemności cieplnej są chwilowe i zależne od występującej w danej chwili proporcji poszczególnych składników gleby:
Cv = cmrmxvm + coroxvo + cwrwxvw + cprpxvp
W praktyce: Cv = 106 x (1,94 xvm +2,51 xvo + 4,19 xvp)
Współczynnik przewodnictwa cieplnego ( l ) - zdolność substancji do przewodzenia ciepła (ilość ciepła przepływająca w czasie 1 s między dwoma przeciwległymi bokami sześcianu, przy występowania różnicy temperatur 1 K [ W x m-1 x K-1] Współczynnik przewodnictwa temperaturowego gleby (dyfuzyjność cieplna gleby )( k ) - prędkość wyrównywania się temperatury w glebie [m2 x s-1] k = l / Cv
Współczynnik przyswajalności cieplnej gleby (b) - zdolność gleby do akumulowania ciepła [J x m-2 x K-1 x s-1/2] b = (l x Cv)1/2
Przenoszenie ciepła w glebie odbywa się głównie w kierunku pionowym poprzez:
przewodzenie promieniowanie ruch wody i powietrza między cząstkami gleby w trakcie
przesączania ruch wody i powietrza spowodowany różnicami temperatury w profilu pionowym (konwekcja) zmiany stanu skupienia wody w glebie (parowanie , kondensacja,
zamarzanie i topnienie)
Największa ilość energii cieplnej przenoszona jest drogą przewodnictwa i przy przemieszczaniu się wody i powietrza.
Przepływ ciepła dokonuje się od poziomu o wyższej temperaturze ku warstwom o temperaturze niższej
Strumień cieplny - ilość ciepła przepływająca przez daną powierzchnię w jednostce czasu
Gęstość strumienia q = -l (DT/ Dz) -rw L Dq (Dq/ Dz)
Bilans cieplny powierzchni czynnej
Powierzchnia czynna:
Bez roślinności - gleba
Z roślinnością - gleba + nadziemne części roślin
Równanie bilansu cieplnego:
Rn - G - H - E = 0
Rn - bilans promieniowania
G - wymiana ciepła z podłożem (glebą)
H - energia cieplna oddawana do atmosfery drogą turbulencji i
konwekcji
E-energia cieplna zużyta na parowanie wody
Bilans nie ujmuje ciepła procesów chemicznych i biochemicznych
w glebie i roślinach
Bilans promieniowania
Rs - krótkofalowe promieniowanie słoneczne Ro - promieniowanie odbite od powierzchni czynnej Rd - promieniowanie efektywne: Rd = Rg - Ra
Rg - promieniowanie długofalowe powierzchni czynnej
Ra - długofalowe promieniowanie atmosfery
Rn = Rs +Ra - Ro - Rg = Rs (1-a) - Rd
a-albedo = Rs/Ro
Ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni gleby zależy od: -kąta padania promieni słonecznych -długość czasu operacji słonecznej -Albedo (gleba sucha o jasnej barwie 0,2 - 0,3; gleba ciemna wilgotna 0,05 - 0,15) -obecność i rodzaju pokrywy roślinnej
Największe zróżnicowanie i zmiany w czasie każdego ze składników bilansu obserwuje się podczas pogodnych dni letnich.
Temperatura gleby jest wypadkowym efektem zmian w dopływie energii promieniowania, przebiegów procesu wymiany ciepła oraz przepływu i akumulacji ciepła