POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA
INSTYTUT INZYNIERII ŚRODOWISKA I ROLNICTWA
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Właściwości fizyczne podstawowe gleb. Oznaczanie gęstości właściwej, objętościowej gleby i obliczanie porowatości utworów glebowych.
Numer ćwiczenia: 6
Laboratorium z przedmiotu:
Gleboznawstwo
KOD:
Opracowała:
dr inż. Zofia Tyszkiewicz
1999
Instytut Inżynierii Środowiska i Rolnictwa
Katedra Ochrony Gleby i Powierzchni Ziemi
KOD:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zawartość Instrukcji:
Wprowadzenie
Cel
Zakres ćwiczeń laboratoryjnych
Metody badań
opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu
prezentacja i analiza wyników badań
Wymagania BHP
Literatura
Wprowadzenie
Właściwości fizyczne gleb dzielą się na właściwości fizyczne podstawowe i funkcjonalne. Do właściwości fizycznych podstawowych zaliczamy:
gęstość właściwą
gęstość objętościową
porowatość
zwięzłość
pulchność
plastyczność
lepkość
pęcznienie
kurczliwość
strukturę
barwę
Natomiast do właściwości fizycznych funkcjonalnych zaliczamy:
właściwości wodne gleby
właściwości powietrzne gleby
stosunki cieplne gleby
Właściwości fizyczne podstawowe (pierwotne) związane są z jakością substratu. Właściwości fizyczne funkcjonalne (wtórne) uzależnione są od pierwotnych. Są też wynikiem funkcjonowania gleby jako środowiska bytowania świata organicznego. Decydują o klimacie glebowym.
Gęstość
Każdy utwór glebowy, w zależności od składu granulometrycznego, struktury i działania czynników zewnętrznych, tworzy układ o różnych stopniu zagęszczenia. Miarą tego zagęszczenia jest gęstość gleby, której wielkość jest bezpośrednio związana z gęstością fazy stałej oraz objętością wolnych przestworów glebowych.
Ze względu na to, że gleba jest układem trójfazowym, wyróżnia się gęstość właściwą (ρ) i gęstość objętościową (q o).
Gęstość właściwa
Gęstość właściwa jest to stosunek masy fazy stałej gleby do objętości zajmowanej przez tę fazę. Innymi słowy jest to ciężar 1 cm3 tworzywa mineralnego i organicznego.
M
q = ----- (g/cm3)
Vs
gdzie: M - masa gleby wysuszonej w 105oC (g)
Vs - objętość fazy stałej gleby (cm3)
Ponieważ gęstość właściwa charakteryzuje jedną fazę gleby, jest dla danej gleby niezmienna. Zależy od składu mineralogicznego gleby oraz od zawartości substancji organicznej. Większość gleb mineralnych charakteryzuje się gęstością właściwą od 2,50 do 2,80 g/cm3. Niewielkie wahania gęstości są spowodowane tym, że część mineralna fazy stałej gleby jest zbudowana głównie z minerałów takich jak: kwarc, ortoklaz, plagioklaz, których gęstość nie odbiega od podanych wyżej wartości. Gdy gleby zawierają większe ilości minerałów ciężkich (>2,9 g/cm3), takich jak: magnetyt, epidot, hornblenda, obserwuje się wzrost gęstości fazy stałe nawet powyżej 2,9 g/cm3 (tab. 1).
Tabela 1
Gęstość właściwa niektórych minerałów
Nazwa minerału |
Gęstość (g/cm3) |
Nazwa minerału |
Gęstość (g/cm3) |
Kwarc Ortoklaz Plagioklaz Kaolinit |
2,65 2,54 - 2,57 2,65 - 2,75 2,60 - 2,63 |
Biotyt Limonit Granat |
2,70 - 3,10 3,50 - 3,95 3,15 - 4,30 |
Należy podkreślić, że stopień rozdrobnienia mineralnej części gleby nie ma żadnego wpływu gęstość fazy stałej. Wpływ taki wywiera substancja organiczna, która jest lżejsza od mineralnych części gleby. Stąd też wierzchnie poziomy gleb mineralnych zasobnych w substancję organiczną mogą wykazywać gęstość właściwą na poziomie około 2,40 g/cm3 lub nawet mniejszą (tab. 2).
Tabela 2
Gęstość właściwa, objętościowa i porowatość gleby w zależności od zawartości substancji organicznej
Zawartość substancji organicznej (%) |
Gęstość właściwa gleby g/cm3 |
Gęstość objętościowa gleby g/cm3 |
Porowatość (%) |
do 5 5 - 10 10 - 20 20 - 50 50 - 80 powyżej 80 |
2,50 - 2,80 2,40 - 2,70 2,25 - 2,60 1,92 - 2,42 1,55 - 2,12 1,55 - 1,75 |
0,90 - 1,90 0,75 - 1,30 0,55 - 0,95 0,25 - 0,75 0,12 - 0,48 0,08 - 0,35 |
28 - 60 50 - 75 55 - 80 70 - 90 75 - 92 78 - 94 |
Gęstość właściwa gleb torfowych, zbudowanych w przeważającej części z masy organicznej, jest uzależniona od stopnia zamulenia i najczęściej wynosi 1,5 - 1,8 g/cm3.
Gęstość objętościowa
Gęstość objętościowa qo jest to stosunek masy próbki gleby, pobranej z zachowaniem struktury, do całkowitej jej objętości.
Gęstość objętościową można oznaczać w glebie zaraz po jej pobraniu, czyli z wodą aktualnie się w niej znajdującą. Nosi ona wtedy nazwę gęstości objętościowej chwilowej. Można ją też oznaczać w glebie wysuszonej w temperaturze 105oC, a więc pozbawionej wody. Jest to gęstość objętościowa rzeczywista.
M
q o = ----- (g/cm3)
Vs
gdzie: M - masa próby glebowej wilgotnej lub suchej (g)
Vs - całkowita objętość próbki glebowej (cm3) w stanie naturalnym
Ponieważ gęstość objętościowa charakteryzuje glebę jako układ trójfazowy (faza stała, ciekła i gazowa), ewentualnie dwufazowy (faza stała i gazowa), jest dla danej gleby wartością zmienną. Jest bardzo labilna, dlatego też wahania jej są znaczne, nawet sezonowo. Gęstość objętościowa chwilowa jest jeszcze bardziej zmienna niż gęstość objętościowa rzeczywista. Wynika to stąd, że istotny wpływ na jej wartość wywiera stopień uwilgotnienia gleby.
Gęstość objętościowa zwiększa się w miarę w miarę zagęszczania fazy stałej i zmniejszania objętości porów. W związku z tym luźne i porowate gleby wykazują małą gęstość objętościowa, a gleby bardziej zbite - większą. Ponieważ cząstki gleb piaszczystych wykazują tendencję do zwartego ułożenia, ich gęstość objętościową jest duża, tym bardziej że zawartość substancji organicznej jest w nich z reguły mały. Z kolei cząstki gleb drobnoziarnistych (gliny, utwory pyłowe, iły) nie przylegają zwykle do siebie tak ściśle jak cząstki piasku. Wynika to z faktu, że gleby te wykazują często strukturę gruzełkowatą (zwłaszcza gliny lekkie i średnie), na co wpływa również stosunkowo duża zawartość substancji organicznej. Gruzełkowatość gleb decyduje o ich pulchności i porowatości, co z kolei wpływa na małą wartość gęstości objętościowej.
Ogólnie biorąc gęstość objętościowa gleb mineralnych wynosi 1,1 - 1,8 g/cm3, a gęstość objętościowa torfu nasyconego wodą wynosi 0,8 - 1,1 g/cm3. Gęstość objętościowa wierzchnich poziomów gleb gliniastych, ilastych i pyłowych w zależności od struktury może się wahać od 0,90 do 1,60 g/cm3. W glebach piaszczystych wahania wynoszą od 1,20 do 1,90 g/cm3. Bardzo zbite gleby, bez względu na skład granulometryczny, mogą mieć gęstość objętościową około 2 g/cm3 lub nawet większą. Gęstość objętościowa gleby, bez względu na skład granulometryczny, z reguły wzrasta wraz z głębokością. Zjawisko to jest wynikiem mniejszej zawartości substancji organicznej, mniejszego zgruźlenia, słabszej penetracji korzeni, większej zawartości wywołanej uciskiem warstw wyżej leżących oraz ograniczeniem wpływu czynników atmosferycznych. Pulchne i strukturalne poziomy próchniczne i podpróchniczne, wykazują gęstość objętościową niższą niż zbite poziomy niżej leżące.
Gęstość objętościowa określa stosunki powietrzne gleby, im jest ona niższa tym gleba jest bardziej przewiewna. Jest to uzależnione od obecności przestworów wypełnionych powietrzem. Na ilość i wielkość przestworów wypełnionych powietrzem wpływa głównie budowa agregatowa i układ gleby, a także zawartość w glebie części organicznych, korzeni, kanałów pokorzeniowych wypełnionych luźną masą glebową oraz stopień spulchnienia gleby przez faunę.
Porowatość gleby
Porowatość ogólna gleby (n) jest sumą wszystkich wolnych przestworów, wypełnionych wodą lub powietrzem, w jednostce objętości gleby. Miarą porowatości jest stosunek objętości przestworów do całkowitej objętości gleby, jest on wyrażony w procentach.
Vp
n = ------- x 100 (%)
V
gdzie: n - porowatość
Vp - objętość przestworów
V - objętość gleby
100 - przeliczenie na procenty
Wielkość porowatości ogólnej uzależniona jest od składu granulometrycznego gleby, struktury, budowy agregatowej, stopnia obtoczenia ziaren, rodzaju minerałów ilastych, zawartości próchnicy i jej jakości, działalności mezofauny, obecności korzeni roślin a także od zabiegów agrotechnicznych, rodzaju użytkowania gleby, ilości i intensywności opadów atmosferycznych i zmian temperatury.
Porowatość warunkuje stosunki wodno-powietrzne gleb. Charakteryzuje się ja zazwyczaj nie tylko ilością, ale i jakością porów. W glebie wyróżnia wg Richardsa następujące rodzaje porów (podział porów glebowych ze względu na ich średnicę):
mikropory - o średnicy mniejszej od 0,2 mikrometra.
Są one wypełnione wodą, która nie może być z nich usunięta ani na skutek działania siły ciężkości, ani siły ssącej korzeni. Zawierają wodę niedostępną dla roślin.
mezopory, zwane też porami kapilarnymi - o średnicy mieszącej się w przedziale od 0,2 do 8,5 mikrometra.
Wypełnione są, w zależności od wilgotności gleby, wodą dostępną dla roślin lub powietrzem.
makropory - o średnicy większej od 8,5 mikroporów.
Zasadniczo są wypełnione powietrzem, wyjątkowo np. po obfitych deszczach wodą .
W makroporach powietrze i woda poruszają się swobodnie, w przeciwieństwie do mezo- i mikroporów, w których ruch powietrza jest utrudniony, a ruch wody polega na jej powolnym przemieszczaniu się pod wpływem sił kapilarnych. Właściwości wodno-powietrzne gleby zależą więc w dużym stopniu od udziału poszczególnych rodzajów porów w glebie. Gleby gruboziarniste, o przewadze makroporów, charakteryzują się wprawdzie dużą przewiewnością i przepuszczalnością, lecz są suche, ponieważ nie mogą utrzymać dostatecznych ilości wody. Natomiast gleby drobnoziarniste, o przewadze mikroporów, zatrzymują stosunkowo dużą ilość wody, lecz charakteryzują się mała przepuszczalnością i przewiewnością. Najbardziej korzystne warunki wodno-powietrzne panują w glebach o przewadze mezoporów i umiarkowanym udziale mikro- i makroporów (gliny średnie).
Porowatość gleb waha się od 28 do 94% (tab. 2). W mineralnych glebach uprawnych porowatość mieści się w granicach od 28 do 75%, przy czym za optymalny uznaje się zazwyczaj układ, w którym porowatość wynosi około 50%. W organicznych i mineralno-organicznych glebach łąkowych porowatość jest znacznie większa i wynosi od 55 do 99%.
Zawartość porów glebowych można oznaczyć przyrządem Richardsa, określając tzw. porowatość dyferencjalną. Porowatość dyferencjalna określa objętość poszczególnych grup porów glebowych. Wyraża się ją w % w stosunku do całkowitej objętości gleby. O charakterze stosunków wodno-powietrznych w glebie informuje właśnie porowatość dyferencjalna, a nie porowatość ogólna. Utwory glebowe o optymalnej porowatości ogólnej, często nie zabezpieczają roślinom optymalnych ilości wody lub powietrza.
Porowatość ogólną gleby można obliczyć na podstawie gęstości fazy stałe oraz gęstości objętościowej rzeczywistej według wzoru:
q - q o
n = ---------- x 100 (%)
q
gdzie: n - porowatośc ogólna gleby (%)
q - gęstość właściwa gleby (g/cm3)
q o - gęstość objętościowa (g/cm3)
100 - przeliczenie na procenty
Zwięzłość gleby
Jest to cecha, która wskazuje na stopień związania poszczególnych cząstek glebowych ze sobą, dzięki czemu gleba stawia większy lub mniejszy opór siłom zewnętrznym np. korzeniom roślin. Zwięzłość gleby zależy od jej składu granulometrycznego, struktury, ilości i jakości koloidów glebowych, wilgotności a także od zawartości próchnicy i węglanu wapnia. Gleby drobnoziarniste, o znacznej zawartości koloidów są znacznie bardziej zwięzłe od gleb gruboziarnistych i ubogich w koloidy glebowe. Szczególnie dużą zwięzłością charakteryzują się gleby polifrakcyjne. Wpływ próchnicy i węglanu wapnia na zwięzłość gleby, jest uzależniona od jej składu granulometrycznego. W glebach lekkich (piaszczystych) zarówno próchnica jak i węglan wapnia zwiększają zwięzłość. W glebach ciężkich (ilaste, gliny ciężkie) obniżają.
Pulchność gleby
Pulchność jest odwrotnością zwięzłości. Zależy ona od składu granulometrycznego gleby, jej porowatości a także od zawartości próchnicy i innych koloidów glebowych. Pulchność gleby zwiększa się pod wpływem tzw. próchnicy słodkiej tzn. wysycanej kationami wapnia i magnezu. Zmniejsza się natomiast pod wpływem tzw. próchnicy słonej tzn. wysycanej kationami sodu.
W sposób ogólny można stwierdzić, że gleby ilaste, pyłowe i gliniaste (wytworzone z glin ciężkich i średnich) są znacznie mniej pulchne niż gleby wytworzone z innych skał macierzystych.
Plastyczność gleby
Plastyczność jest to właściwość gleby polegająca na jej zdolności do przybierania różnych kształtów i form pod wpływem działania siły zewnętrznej i utrzymywaniu tych form po ustaniu działania siły. Plastyczność ujawnia się jedynie przy pewnym stopniu uwilgotnienia gleby, uzależniona jest przede wszystkim od składu granulometrycznego gleby, w szczególności od zawartości iłu koloidalnego. Im większa zawartość iłu koloidalnego w glebie tym większa plastyczność.
Lepkość gleby
Lepkość gleby jest to jej zdolnością do przylegania do stykających się z nią ciał. Występowanie lepkości jest związane z elektrostatycznymi i molekularnymi siłami działającymi pomiędzy różnymi fazami gleby. Ujawnia się ona jedynie w stanie pewnego uwilgotnienia. Gleby powietrznie suche nie wykazują lepkości. Zwiększa się ona w miarę wzrostu uwilgotnienia, ale tylko do pełnego wysycenia kapilar wodą. Ponadto lepkość uzależniona jest od składu granulometrycznego, struktury, zawartości próchnicy w glebie, kwasowości. Wpływ składu granulometrycznego na lepkość polega na tym, że jej stopień zwiększa się wraz ze wzrostem procentowej zawartości frakcji części spławialnych, jednak tylko do pewnej granicy. Granicę tę stanowi zawartość około 60% części spławialnych. Próchnica wpływa na spadek lepkości. Umożliwia ona powstawanie agregatów strukturalnych. Zmniejszeniu lepkości sprzyja także zmniejszenie kwasowości gleby oraz, co się z tym wiąże, wysycenie kompleksu sorpcyjnego gleby kationami wapnia.
Przyjętą miarą lepkości jest gleby jest siła potrzebna do oderwania metalowego krążka lub płytki od wygładzonej powierzchni gleby. Do obliczania lepkości służy wzór:
L = G/R [g/cm2]
gdzie: L - lepkość gleby
G - masa materiału potrzebna do oderwania krążka od gleby
R - powierzchnia krążka
Nadmiar lepkości w znacznym stopniu utrudnia proces uprawy, ogranicza czas i sposób wykonywania zabiegów agrotechnicznych, prowadzi do szybkiego wzrostu oporów uciągu i pogarszania jakości uprawy.
Pęcznienie gleby
Pęcznienie polega na zwiększaniu się objętości gleby pod wpływem pochłaniania wody. Zjawisko to powstaje na skutek otaczania się poszczególnych cząstek koloidalnych gleby (frakcji iłu koloidalnego) powłokami wodnymi. Pęcznienie zależy od składu granulometrycznego gleby, głównie od procentowej zawartości w niej frakcji iłu koloidalnego. Zależy również od struktury gleby o zawartości substancji organicznej. Gleby strukturalne pęcznieją w mniejszym stopniu niż gleby bezstrukturalne, a najsłabiej pęcznieją gleby o budowie rozdzielnocząstkowej Najwyższy stopień pęcznienia wykazują natomiast gleby organiczne (torfy). Pęcznienie uzależnione jest również od ilości i jakości kationów wymiennych. Koloidy wysycane kationami sodu (Na) wpływają na wzrost pęcznienia, a koloidy wysycane kationami wapnia (Ca) na jego obniżenie.
Kurczliwość
Jest to zjawisko odwrotne do pęcznienia, czyli jest to zdolność gleby do zmniejszania swej objętości na skutek odwodnienia. Uzależniona jest od uwilgotnienia utworu glebowego, składu granulometrycznego gleby i zawartości substancji organicznej. Najwyższą zdolność do kurczenia się wykazują gleby torfowe i gytiowe.
Cel
poznanie wszystkich właściwości fizycznych podstawowych gleby
umiejętność określenia właściwości fizycznych podstawowych w różnych utworach glebowych, w zależności od procentowej zawartości w nich frakcji granulometrycznych,
poznanie i zastosowanie metod oznaczania gęstości właściwej i objętościowej gleby i wyciąganie wnioskowanie podstawie jej wartości,
umiejętność obliczania porowatości gleby i wnioskowania o właściwościach wodno-powietrznych gleby na podstawie jej wartości.
Zakres ćwiczeń laboratoryjnych
oznaczanie gęstości właściwej utworów glebowych przy pomocy metody piknometrycznej i metody biuretowej.
oznaczanie gęstości objętościowej gleby.
obliczanie porowatości utworów glebowych.
wnioskowanie na temat właściwości gleby na podstawie wartości gęstości właściwej, objętościowej i porowatości.
Metody badań
Opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu
Wykonanie oznaczenia gęstości właściwej gleby metodą piknometryczną
zważyć pikometr (kolbę miarową) wraz z korkiem na wadze technicznej (a),
wsypać do pikometru około 10 g suchej gleby i zważyć (b),
dodać do połowy objętości piknometru wodę destylowaną i gotować tak długo, aż z gleby przestaną uchodzić pęcherzyki powietrza,
ostudzić zawartość piknometru do temperatury pokojowej,
dopełnić piknometr woda destylowaną w ten sposób, aby kapilara wewnątrz korka była wypełniona wodą, a pod korkiem nie było powietrza,
zważyć piknometr wraz z wodą i glebą (c),
opróżnić piknometr i napełnić go wodą destylowaną w ten sposób, aby kapilara wewnątrz korka była wypełniona wodą, a pod korkiem nie było powietrza,
zważyć piknometr wraz z wodą (d),
Gęstość właściwą gleby oblicza się według następującego wzoru:
b - a
q = ---------------------- (g/cm3)
(d - a) - (c - b)
gdzie: a - masa piknometru z korkiem )g)
b - masa piknometru z glebą (g)
c - masa piknometru z gleba i wodą (g)
d - masa piknometru z wodą (g)
Sprzęt
Piknometr (kolba miarowa z korkiem), waga, suszarka laboratoryjna
- Wykonanie oznaczenia gęstości właściwej gleby metodą biuretową
zważyć kolbę miarową o pojemności 25 cm3 na wadze (a),
wsypać do kolby około 10 g suchej gleby,
zważyć kolbę razem z glebą (b),
dodać z biurety do kolby zawierającej glebę alkohol, aż do kreski wyznaczającej pojemność kolbki. W tym czasie mieszać kilkakrotnie jej zawartość,
odczytać z biurety ilość dodanego do kolbki alkoholu (V).
Gęstość właściwą gleby oblicza się według następującego wzoru:
b - a
q = -------------- (g/cm3)
25 - V
gdzie: V - objętość alkoholu dodanego z biurety (cm3)
a - masa kolbki (g)
b - masa kolbki z glebą (g)
Sprzęt
Waga, kolbki (25 cm3), biurety.
Odczynniki
Alkohol etylowy (denaturat)
Wykonanie oznaczenia gęstości objętościowej gleby
pobrać do metalowego cylindra o znanej objętości V próbkę gleby o nienaruszonej strukturze,
wysuszyć cylinder z glebą w temperaturze 105oC wraz z dolną przykrywką i zważyć,
opróżnić cylinder,
zważyć pusty cylinder z dolna przykrywką.
Gęstość objętościową oblicza się według wzoru:
b - a
q o = --------------- (g/cm3)
V
gdzie: b - masa cylindra z glebą i dolną przykrywką
a - masa pustego cylindra z dolną przykrywką
V - objętość cylindra
Sprzęt
Waga techniczna, suszarka, metalowe cylindry (100 cm3) z przykrywkami
obliczanie porowatości gleby
Porowatość ogólną (całkowitą) oblicza się na podstawie gęstości fazy stałej gleby oraz gęstości objętościowej gleby suchej według wzoru:
q - q o
n = ----------- x 100 (%)
q
gdzie: n - porowatość ogólna gleby (%)
q - gęstość fazy stałej gleby (gęstość właściwa) (g/cm3)
qo - gęstość objętościowa (g/cm3)
100 - przeliczenie na procenty
Prezentacja i analiza wyników
Wyniki należy przedstawić w formie tabeli
Nr próbki |
Gęstość właściwa (g/cm3) |
Gęstość objętościowa (g/cm3) |
Porowatość (%) |
|
|
|
|
Na podstawie wyników wyprowadzić wniosek jakim utworem glebowym jest analizowana próba. Również należy wnioskować na temat pozostałych właściwości fizycznych podstawowych omawianej próby (plastyczność, kurczliwość, zwięzłość, pęcznienie itp.), a przede wszystkim na temat porowatości i stosunków wodno-powietrznych.
Wymagania BHP
odzież ochronna typu fartuch
ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia
6. Literatura
Białousz St. Skłodowski P., 1996. Ćwiczenia z gleboznawstwa i ochrony gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa.
Dobrzański B. i in., 1995. Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa.
Drzymała St. i in. , 1985. Analiza i klasyfikacja gleb. Skrypty Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań.
Mocek A. i in., 1997. Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań.
Ostrowska A. i in., 1991. Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa.
Rewut., 1980. Fizyka gleb. PWRiL. Warszawa.
Turski R. i in., 1982. Gleboznawstwo. Zajęcia praktyczne dla studentów wydziałów ogrodniczych. Wydawnictwo Akademii Rolniczej. Lublin.
Uggla H., 1983. Gleboznawstwo rolnicze. PWN. Warszawa.
1
12