Prof. dr hab. Anna Miechówka Faza stała gleby
Gleba jako układ trójfazowy Gleba składa się z fazy: - stałej cząstek mineralnych, organicznych i mineralnoorganicznych o dużym stopniu dyspersji, - ciekłej roztworu glebowego, - gazowej na którą składa się powietrze glebowe. za: Joanna Kośmider
Składniki mineralne Mineralna część gleby zbudowana jest najczęściej z: krzemianów kwarc, opal, chalcedon, glinokrzemianów pierwotnych ortoklaz, glinokrzemianów wtórnych - minerały ilaste, tlenków glinu, tlenków żelaza, Faza stała gleby Składniki mineralne gleby to okruchy skały macierzystej oraz minerały charakteryzujące się różną wielkością i kształtem. węglanów kalcyt, dolomit.
Minerały ilaste Są uwodnionymi glinokrzemianami Al, Mg i Fe, należącymi do krzemianów warstwowych. Zbudowane są z szeregu warstw ułożonych równolegle względem siebie. W warstwie krzemowej atomy tlenu i krzemu tworzą czworościany - tedraedry, zaś w warstwie metalo-tleno-wodorotlenowej - ośmiościany oktaedry.
Minerały ilaste W zależności od wzajemnego układu warstw tetraedrów i oktaedrów mogą one należeć do krzemianów: Dwuwarstwowych o typie budowy 1:1, gdzie warstwa oktaedrów jest trwale i jednostronnie połączona z warstwą tetraedrów (kaolinit). WARSTWA Al Si Si Al Si Al PAKIET
Trójwarstwowych o typie budowy 2:1, gdzie warstwa oktaedrów zamknięta jest między dwoma warstwami tetraedrów zwróconych do siebie wierzchołkami (montmorylonit, illit). WARSTWA AGREGAT PAKIETÓW Si Al Si Si Al Si PAKIET Odległość między pakietami w montmorylonicie wynosi od 0,96 do 2,14 nm
Źródła ujemnego ładunku elektrycznego: 1. Nienasycone wartościowości na krawędziach warstw krzemowo-glinowych i zewnętrznych powierzchniach płaszczyzn minerałów. Jeżeli odczyn zmienia się w kierunku zasadowego wówczas jony wodoru dysocjują, a powierzchnia koloidu uzyskuje ładunki ujemne, których nośnikiem jest tlen. Są to ładunki zmienne - ponieważ zmieniają się w zależności od odczynu. H + O O Al 2 Si O H + Al 2 Si O O O H +
2. Wewnątrzwarstwowa wymiana w kryształach minerałów Polega ona na wymianie jednego atomu w warstwie glinowej lub krzemowej na atom innego pierwiastka. Jeżeli atomy są różnej wartościowości np. III wartościowy glin podstawia IV wartościowy krzem wówczas na powierzchniach wewnętrznych minerałów pojawiają się nienasycone ładunki ujemne. Są one niezależne od ph nazywają się ładunkami trwałymi Al +++ O -- Si ++++ O -- O -- Al +++ O -- Si ++++
Wybrane właściwości fizykochemiczne minerałów ilastych i próchnicy (według Greenlanda i Hayesa i in. zmienione) Kaolinit Montmorylonit Illit Próchnica Wielkość cząstek µm 0,1-5,0 0,01-1,0 0,1-2,0 - Pojemność sorpcyjna mmol(+) kg -1 20-60 600-1200 200-400 1800-3000 Wielkość przestrzeni międzypakietowej w nm 0,28 0,96-2,14 1,0 - Powierzchnia właściwa m 2 g -1 10-20 750-800 90-130 800-1000
FUNKCJE MINERAŁÓW ILASTYCH W GLEBIE I. Wpływ na właściwości fizyczne: Skład uziarnienia Typ i rodzaj struktury Porowatość Gęstość objętościową Przepuszczalność Zdolność pęcznienia gleb Zwięzłość i plastyczność II. Wpływ na retencje wodną III. Wpływ na właściwości sorpcyjne, oraz zdolności buforowe IV. Wpływ na procesy pedogeniczne
M A T E R I A O R G A N I C Z N A Ż Y W A (edafon) M A R T W A (szczątki roślinne i zwierzęce w różnych r stadiach rozkładu) Mineralizacja Humifikacja G N I C I E warunki beztlenowe (CO 2, H 2 O, CH 4, NH 3, H 2 S i in.) B U T W I E N I E warunki tlenowe ( CO 2, H 2 O, NO 3, PO4-3, SO -2 4 i in.) P R O D U K T Y H U M I F I K A C J I (Kwasy huminowe i fulwowe, huminy)
W procesach przemian substancji organicznej wyróżnia się dwa kierunki: mineralizację (butwienie lub gnicie) - rozkład połączony z wytworzeniem prostych związków mineralnych, takich jak: CO 2, H 2 O, NH 3 oraz jonów (Ca 2+, K +, SO 4 2-, HPO 4 2- itp.). humifikację - rozkład połączony z resyntezą związków próchnicznych charakterystycznych dla poszczególnych gleb. Przyjmuje się, że od 3/4 do 4/5 substancji organicznej ulega procesom mineralizacji, natomiast tylko 1/4 do 1/5 przekształca się w związki próchniczne.
Materia organiczna gleb składa się z: rozdrobnionych, ale nie rozłożonych, części organicznych < 2 mm, częściowo rozłożonych resztek roślinnych, humusu (próchnicy) w postaci koloidalnej produkt humifikacji, mikroorganizmów glebowych, produktów pośrednich powstałych w procesach życiowych mikroorganizmów oraz ich rozkładu.
Próchnicę tworzą wysokocząsteczkowe związki o mało rozpoznanej budowie, które można wyekstrahować 0,1M roztworem NaOH. Są one dzielone na: Kwasy huminowe - frakcja związków próchnicznych o barwie ciemnobrązowej do czarnej, które mogą być ekstrahowane z gleby za pomocą alkalicznych rozpuszczalników (NaOH). Są nierozpuszczalne w wodzie w warunkach kwaśnych (ph<2) i dlatego ulegają strąceniu po zakwaszeniu roztworu. Kwasy fulwowe - frakcja związków próchnicznych o barwie żółtej do żółtobrązowej, rozpuszczalnych w wodzie w całym zakresie ph. Pozostają one w roztworze po strąceniu kwasów huminowych w wyniku zakwaszenia roztworu. Huminy - frakcja związków próchnicznych o barwie czarnej, nierozpuszczalna w wodzie, zasadach i kwasach.
Schemat budowy cząsteczki związku humusowego (Scheffer, Urlich 1960) grupa funkcyjna jądro aromatyczne mostek łączący pojedyncze cząsteczki
Najważniejsze grupy funkcyjne to : hydroksylowe karboksylowe OH OH fenoli alkoholi metaksylowe chinonowe
Przyjmuje się, że kwasy huminowe są polimerami składającymi się z rdzenia aromatycznego, który jest połączony wiązaniami z aminokwasami, cukrami, peptydami, alifatycznymi kwasami i innymi składnikami o budowie alifatycznej. Rdzeń składa się z pierścieni aromatycznych typu fenoli lub związków zawierających azot w postaci cyklicznej (indol, pirymidyna i inne).
Model struktury kwasu fulwowego z aromatycznymi i alifatycznymi strukturami, z dużą ilością grup funkcyjnych zawierających tlen
KH KF KH KF Gleba łąkowa Gleba leśna Udział kwasów humusowych w glebach łąkowych i leśnych [Stevenson 1982]
Na zawartość próchnicy mają wpływ następujące czynniki (Kowaliński 1993): jakość i ilość związków organicznych, które dostają się do gleb, tempo humifikacji związków organicznych, warunkowane m.in. aktywnością biologiczną gleb, tempo mineralizacji próchnicy zawartej w glebach, właściwości fizyczne, fizykochemiczne i chemiczne gleby, ilość i jakość zawartych w glebie związków mineralnych.
Odróżnienie gleb organicznych od mineralnych
GLEBY ORGANICZNE >10 cm >40 cm miąższość utworów organicznych 40 cm, z wyjątkiem gleb wytworzonych na skałach litych 10 cm.
POZIOMY ORGANICZNE 1) Poziomy organiczne w glebach bagiennych i pobagiennych, które tworzą: torfy, gytie, muły, mursze Są nasycone wodą w ciągu 30 kumulatywnych dni lub dłużej w roku lub są sztucznie odwodnione i zawierają (poza żywymi korzeniami): a) 18% C org. ( 30% materii organicznej), gdy ich mineralna część gleby zawiera 60% i więcej frakcji ilastej, lub b) 12% C org. ( 20% materii organicznej), gdy mineralna część nie zawiera frakcji ilastej, lub c) od 12 do 18% C org., gdy mineralna część zawiera od 0 do 60% frakcji ilastej; Dolną granicę zawartości węgla organicznego w utworach organicznych można zatem określić następująco: 12% + [( % C organicznego + % frakcji ilastej) x 0,1]; 2) poziomy organiczne w glebach leśnych (ściółki leśne) znacznej miąższości. Nie są nigdy nasycone wodą dłużej niż kilka dni (< 30 kumulatywnych dni w ciągu roku) i zawierają 20% C org. ( 35% materii organicznej).
Gleby organiczne
Zawartość próchnicy w poziomach akumulacyjnych wybranych gleb mineralnych Polski TYP Rędziny Czarnoziemy Czarne ziemie Gleby brunatne Płowe i płowe zaciekowe RODZAJ, GATUNEK wapienie, dolomity lessy piaski gliny lekkie i średnie glin ciężkich i iłów piaski glina lekka i średnia glina ciężka lessy i inne utwory pyłowe lessy i inne utwory pyłowe glina lekka Zawartość próchnicy [%] 1,5 7,0 1,8 4,0 1,2 4,1 1,2 5,7 2,5 5,6 0,9 2,2 1,1 3,0 1,6 3,7 1,3 2,6 1,0 2,5 1,0 2,6
Barwę gleby Strukturę ZNACZENIE PRÓCHNICY I. Wpływ na właściwości fizyczne gleb: Przepuszczalność zawartość próchnicy zmniejsza przepuszczalność gleb lekkich i zwiększa gleb ciężkich. Pojemność wodną zwiększa, ponieważ sama ma wysoką pojemność wodną. W stosunku do swej wagi może zatrzymać 3-5-krotnie więcej wody w formie dostępnej dla roślin. Gęstość gleby wzrost zawartości próchnicy obniża gęstość. Zwięzłość zwiększa zwięzłość gleb lekkich, a zmniejsza gleb ciężkich.
II. Wpływ na właściwości fizyko-chemiczne i chemiczne: Wpływ na sorpcję kationów W poziomach powierzchniowych 25 95% ogólnej pojemności wymiennej zależy od materii organicznej, która dzięki grupom funkcyjnym ma zdolność sorpcji wymiennej kationów.
Wpływ na buforowość gleby Dzięki próchnicy w glebie utrzymywany jest względnie stały odczyn. Ma ona zdolność buforowania w szerokim zakresie ph. Obniżenie ph roztworu glebowego powoduje zmniejszenie dysocjacji kwaśnych grup funkcyjnych (-COOH i OH), co jest równoznaczne ze zwiększeniem wiązania jonów wodorowych i obniżeniem ich stężenie w roztworze glebowym. Unieruchamianie związków toksycznych Związki próchnicy mają zdolność wiązania metali i pestycydów. Substancję humusowe wchodzące w reakcję z pestycydami zmieniają ich strukturę chemiczną i przyspieszają degradację.
Zwiększanie zawartości składników pokarmowych i ich uruchamianie Zawiera zasorbowane kationy wymienne Wiąże w formie organicznej N, P i S Sprzyja uwalnianiu składników pokarmowych z minerałów w procesach wietrzenia Dostarczanie C i energii drobnoustrojom Drobnoustroje rozkładające związki humusowe wykorzystują zgromadzoną w nich energię i węgiel, a także część azotu i składników pokarmowych do własnych procesów metabolicznych.
III. Wpływ na procesy pedogeniczne: bielicowanie, płowienie, glejowy, brunatnienia IV. Zahamowanie rozwoju patogenów roślin Stwierdzono, że obecność substancji organicznej przyśpiesza rozwój mikroorganizmów saprofitycznych, które są antagonistami fitopatogenów. V. Ochronne działanie na niektóre związki biologicznie czynne: witaminy, antybiotyki, enzymy, fitohormony, i in. co przedłuża aktywność tych związków w glebie.