Podstawowe właściwości fizyczne gleb

Ciężar właściwy gleby jest to stosunek masy suchej i pozbawionej powietrza gleby do jej objętości. Średni ciężar właściwy mineralnych gleb Polski wynosi 2,65 g/cm³, może się jednak wahać od 2,3 do 2,8, co zależy od zawartości części organicznych i od składu mineralogicznego gleby. W glebach zawierających tzw. minerały ciężkie (magnetyt, granat, hornblenda) ciężar właściwy dochodzi do 3, a w glebach silnie próchnicznych spada do 2 i poniżej. Ciężar właściwy gleb organicznych jest jeszcze niższy, ale jego wartość w tych glebach może się znacznie wahać w zależności od ilości domieszek mineralnych. Ciężar właściwy poszczególnych gleb może się zmieniać w zależności od położenia w profilu glebowym.

Ciężar właściwy oznacza się za pomocą piknometru lub kolby miarowej w warunkach stałej temperatury. Oblicza się go ze wzoru:

S = masa gleby/(masa kolby z wodą + masa gleby) - masa kolby z glebą i wodą [g/cm³]

Ciężar objętościowy gleby jest to stosunek masy gleby o zachowanej strukturze do jej ogólnej objętości - części stałej wraz z porami.

Można go oznaczać w glebie zaraz po jej pobraniu, czyli z wodą aktualnie się w niej znajdującą (ciężar objętościowy chwilowy) lub w glebie wysuszonej w temperaturze 105°C - pozbawionej wody (ciężar objętościowy rzeczywisty). Do oznaczania gęstości objętościowej należy pobrać próbkę o niezmienionej strukturze do specjalnych metalowych cylinderków, najczęściej o pojemności 100 cm³.

Oblicza się go ze wzoru:

S_O = masa gleby suchej lub wilgotnej/objętość cylinderka [g/cm³]

Ciężar objętościowy określa stosunki powietrzne gleby: im jest on niższy, tym gleba jest bardziej przewiewna, co jest uzależnione od ilości przestworów wypełnionych powietrzem. Na ilość i wielkość przestworów wpływa głównie budowa agregatowa i układ gleby a także zawartość części organicznych, kanałów pokorzeniowych wypełnionych luźną masą glebową oraz stopień spulchnienia gleby przez faunę.

W glebach mineralnych ciężar objętościowy wynosi 1,1 - 1,8 g/cm³.

Ciężar objętościowy wyraża też stopień spulchnienia gleby, dlatego wzrasta najczęściej wraz z głębokością, osiągając najwyższe wartości w skale macierzystej gleby a zwłaszcza w poziomach glejowych. Pulchne i strukturalne zazwyczaj poziomy próchniczne i podpróchniczne wykazują znacznie niższy ciężar objętościowy niż zbite i pozbawione próchnicy poziomy niżej leżące.

Zabiegi uprawowe z reguły zmniejszają ciężar objętościowy gleby w jej wierzchnich warstwach.

Porowatością ogólną gleby nazywamy sumę przestworów zajętych przez powietrze i wodę, przypadającą na jednostkę objętości gleby. Jest bardzo ważną cechą glebową zależną od wielu właściwości gleby, np.od składu mechanicznego, zawartości próchnicy, budowy agregatowej, działalności mezofauny i korzeni roślin, a także od zabiegów agrotechnicznych. Porowatość jest istotnym czynnikiem struktury gleby.

Gleby porowate wykazują najczęściej korzystne właściwości wodno-powietrzne, są więc przewiewne, a korzenie roślin i mikroorganizmy znajdują w nich odpowiednie warunki rozwoju. W glebach niestrukturalnych, przesuszonych i rozpylonych, porowatość zależy od składu frakcyjnego gleby. Gleby drobnofrakcyjne (np.iły) są bardziej porowate od gleb grubofrakcyjnych (np.piasków). Ale w stanie silnie wilgotnym porowatość iłów może ulec silnemu zmniejszeniu w wyniku procesów pęcznienia koloidów. W glebach całkowitych porowatość najczęściej zmniejsza się w głąb profilu.

Pory glebowe dzieli się na drobne - mikropory (∅ < 0,2 μm), średnie - mezopory
(∅ 0,2-8,5 μm), grube - makropory (∅>μ8,5m). Mikropory zawierają wodę niedostępną dla roślin, mezopory w przeważającej ilości - dostępną, makropory zapełnione są przeważnie powietrzem glebowym.

Decydujący wpływ na porowatość gleb wywiera ich budowa agregatowa i układ. Gleby o budowie agregatowej wykazują zazwyczaj znaczną porowatość, przy czym obok mikro- i mezoporów powstają w nich pomiędzy poszczególnymi gruzełkami także liczne makropory. Szczególnie korzystny jest układ, przy którym obok systemu przestworów kapilarnych, odpowiedzialnych za zaopatrzenie roślin w wodę, występuje także system przestworów niekapilarnych, gwarantujący właściwe przewietrzenie gleby. O dobrych stosunkach wodno-powietrznych nie decyduje porowatość ogólna, lecz ilość makroporów.

Porowatość ogólną można obliczyć ze wzoru:

P= (ciężar właściwy-ciężar objętościowy rzeczywisty/ciężar właściwy)x100% [%]

Woda glebowa

Woda glebowa (a ze względu na rozpuszczone w niej składniki mineralne - raczej roztwór glebowy) stanowi jedną z trzech składowych części gleby. Jest ona niezbędna dla życia biologicznego gleby, dla przebiegu różnych procesów glebowych (wietrzenia minerałów, humifikacji i innych) oraz dla wzrostu masy roślinnej i zwierzęcej. Pomiędzy fazą stałą gleby, roztworem, a rośliną zachodzi ciągła wymiana składników pokarmowych, co w dużej mierze uzależnione jest od stężenia soli w roztworze i glebie.

Źródła wody glebowej:

- opady atmosferyczne

- woda podsiąkająca z głębszych warstw glebowych

- woda kondensacyjna - powstająca w wyniku skraplania pary wodnej

- wprowadzona do gleby w wyniku sztucznych nawodnień

Powody strat wody glebowej:

- spływy powierzchniowe

- przesiąkanie w głąb gleby i zasilanie wód gruntowych

- transpiracja roślin

- ewaporacja z gleby niepokrytej roślinnością

Postacie wody w glebie:

- woda chemiczna/ krystalizacyjna

- woda w postaci lodu

- woda w postaci pary wodnej

- woda związana siłami molekularnymi

- higroskopowa (ściśle związana)

- błonkowata (luźno związana)

- kapilarna

- wolna/grawitacyjna

- gruntowa

Woda chemiczna - wchodzi w skład różnych minerałów i nie ulatnia się w czasie suszenia gleby, ale może w wyniku rozpuszczenia minerału przejść do roztworu glebowego. Woda w tej postaci nie bierze bezpośrednio udziału w procesach glebowych i nie może być wykorzystana przez rośliny

Woda w postaci lodu - chemicznie mało aktywna jednak przyczynia się do procesów wietrzenia fizycznego skał i minerałów co ma wpływ na procesy glebotwórcze i glebowe

Woda związana siłami molekularnymi - jej cząsteczki silnie wiązane są przez siły molekularne występujące na powierzchni cząstek koloidalnych oraz jonów.

Woda higroskopowa - powstaje przez pochłanianie przez glebę cząsteczek pary wodnej z powietrza w drodze kondensacji molekularnej. Gleby ciężkie (zawierające znaczne ilości drobnoziarnistych koloidów), a ponadto bogate w próchnicę, zawierają znacznie większe ilości wody higroskopowej niż gleby lekkie i uboższe w próchnicę. Pochłanianie przez glebę jest tym silniejsze im względna wilgotność powietrza jest większa. Zdolność pochłaniania pary wodnej przez glebę nazywa się higroskopowością. Woda higroskopowa jest tak silnie związana, że nie może być wykorzystywana przez włośniki korzeniowe

Woda błonkowata - cząsteczki wody z gleby, które tworzą wokół warstewki wody higroskopowej otoczki wody błonkowatej. Jest w niewielkim stopniu przyswajalna dla roślin

Woda kapilarna - wypełnia kapilary glebowe, w których siły wiązania przewyższają siły grawitacyjne. Im średnica kapilar jest mniejsza, tym siła wiązania wody jest większa. Zjawisko kapilarności wywołane jest siłami adhezji (przyczepności) wody do ścian kapilary, w wyniku których ciecz wznosi się wokół ścianek. Jednocześnie międzycząsteczkowe siły kohezji (przeciwstawiające rozdzielaniu się cząstek) powodują podciąganie do góry całego słupa wody do określonej wysokości.

Woda grawitacyjna (wolna) - podlega siłom grawitacji i porusza się w glebie od góry ku dołowi. Część przesączająca się wolno jest przyswajalna dla roślin.

Retencja (zatrzymywanie) wody w glebie:

- pojemność wodna aktualna (wilgotność gleby)

- pojemność wodna kapilarna (KPW)

- pojemność wodna polowa (PPW)

- pojemność wodna maksymalna (MPW)

- pojemność wodna higroskopowa (MH)

Właściwości retencyjne gleby zależą od wielkości sił wiązania cząsteczek wody przez glebę. Dla oznaczenia sił wiązania wprowadzono symbol pF - logarytm wysokości słupa wody odpowiadającej ciśnieniu wiążącemu wodę w glebie. Siła ssąca zależy od ciśnienia wody w glebie. Gdy równa się zeru (0 atm.), gleba osiąga stan pełnego nasycenia, przy ciśnieniu 6000 atm. stan nasycenia jest równy zeru.

Pojemność wodna aktualna - zawartość różnych postaci wody w glebie w danej chwili.

Pojemność kapilarna - ilość wody, która wypełnia przestwory kapilarne gleby. Zależy od ilości przestworów kapilarnych

Pojemność polowa - o pojemności polowej mówimy wtedy, gdy dopływ wody do gleby zostanie przerwany, wyciekła szybko poruszająca się woda wolna z dużych przestworów (makroporów), a pozostała tylko w przestworach małych (mikroporach). Wilgotność gleby nasyconej do stanu pojemności polowej odpowiada zawartości wody higroskopowej, błonkowatej, kapilarnej oraz wolno poruszającej się wody grawitacyjnej. Przy pojemności polowej siła ssąca gleby wynosi około pF=2,3. Gleby lekkie wykazują mniejszą pojemność polową niż gleby cięższe, które mają większą retencję.

Pojemność maksymalna - całkowite nasycenie gleby wodą

Pojemność higroskopowa - gdy gleba pochłania parę wodną z powietrza nasyconego parą, a między zawartością pary w powietrzu glebowym i atmosferycznym ustali się stan równowagi, wtedy mówimy o higroskopowości maksymalnej, odpowiadającej maksymalnej ilości pochłoniętej pary wodnej z powietrza. Maksymalna higroskopowość jest dla danej gleby wielkością stałą i zależy przede wszystkim od zawartości w glebie koloidów mineralnych i organicznych.

Roślina może pobierać wodę tylko wtedy gdy siła ssąca jej włośników korzeniowych jest równa lub większa od siły wiązania wody przez kapilary glebowe. Z punktu widzenia użyteczności dla rośliny, wodę glebową można podzielić na:

- wodę łatwo dostępną

- wodę trudno dostępną

- wodę niedostępną/ nieużyteczną

Woda łatwo dostępna - wolno przesiąkająca część wody grawitacyjnej, która porusza się w wodzie pod niskim ciśnieniem (pF 1,7 - 2,5), oraz część wody kapilarnej, wypełniającej większe przestwory kapilarne (duże i średnie), która jest związana z glebą siłą pF 2,5 - 3,7.

Woda trudno dostępna - woda glebowa, którą jeszcze mogą pobierać rośliny, gdyż przytrzymywana jest przez drobne kapilary glebowe siłą ssącą pF 3,7 - 4,2. Woda ta wypełnia część porów średnich.

Woda niedostępna - fizjologicznie nieużyteczna, pozostaje w glebie pod ciśnieniem pF powyżej 4,2 i wypełnia kapilary najdrobniejsze.

W punkcie pF 4,2 rośliny nie mogąc już pobierać wody glebowej więdną. Stan ten nazywamy punktem trwałego więdnięcia roślin (PTW). Współczynnik więdnięcia wzrasta więc w miarę zwiększania się zawartości cząstek spławialnych w glebie.

Przy ciśnieniu pomiędzy pF 4,2 a pF 4,7 zatrzymuje się jedynie woda związana siłami molekularnymi - higroskopowa i błonkowata, która jest niedostępna dla roślin.

Punkt pF 4,7 to punkt higroskopowości maksymalnej.

Gęstość właściwa

Gęstość objętościowa

Porowatość

Znaczenie wody w glebie

Źródła wody glebowej

Postacie wody w glebie

Retencja wody w glebie

Zaopatrzenie roślin w wodę

---