TRÓJFAZOWY UKŁAD GLEBY
WPROWADZENIE 1. FAZA STAŁA - cząstki mineralne okruchy skał i minerały - cząstki organiczne próchnica, resztki roślinne i zwierzęce, organizmy żywe - cząstki organiczno-mineralne 2. FAZA CIEKŁA - woda z rozpuszczonymi składnikami mineralnymi i organicznymi 3. FAZA GAZOWA - gazy - para wodna POWIETRZE WODA MINERAŁY Trójfazowy układ gleby, z uwzględnieniem zajmowanej objętości [Brady 1984]. SUBSTANCJA ORGANICZNA
WPROWADZENIE Układ fazowy gleby podlega szeregu zmianom, zwłaszcza z tytułu działalności człowieka (zabiegi uprawowe, melioracje itd.), a także procesów glebotwórczych. Szczególnie intensywne dynamiczne zmiany dotyczą faz: gazowej i ciekłej. Zaznaczają się one po każdym opadzie deszczu, a przybierają bardzo duże natężenie po długotrwałych, intensywnych deszczach. Należy pamiętać, że wraz ze zmianami notowanymi w ilościowym udziale fazy gazowej po deszczu (bądź zalaniu wodami powodziowymi) występuje niedobór tlenu glebowego, niezbędnego korzeniom roślin oraz licznym mikroorganizmom glebowym.
kwarc kaolinit dolomit MINERALOGIA FAZY STAŁEJ GLEBY W skład mineralnej części fazy stałej gleby wchodzą różne minerały należące do: grupy kwarcu, pierwotnych minerałów krzemianowych: skalenie; łyszczyki: muskowit, biotyt; pirokseny: augit, dioryt, gabro; amfibole: hornblenda; oliwiny, wtórnych minerałów krzemianowych: kaolinit, illit, wermikulit, smektyt, alofan, innych minerałów wtórnych: kalcyt, aragonit, dolomit, limonit, przy czym dominacja określonej ich grupy jest silnie powiązana z gatunkiem gleby.
MINERALOGIA FAZY STAŁEJ GLEBY Skład mineralogiczny utworów glebowych różnych gatunków [Brady 1984].
SKŁAD GRANULOMETRYCZNY GLEB Wykonanie oznaczenia składu granulometrycznego (dawn.: mechanicznego) daje nam odpowiedź na pytanie jaki jest udział poszczególnych frakcji mineralnych (frakcja - zbiór ziaren glebowych o danej średnicy, opisywany jedną nazwą) w ogólnej masie próby gleby (gruntu) nieskalistej. Różnice w udziale poszczególnych frakcji glebowych wpływają bezpośrednio na zróżnicowanie fizycznych i chemicznych właściwości gleb i gruntów, szczególnie pod względem sorpcji wodnej i jonowej oraz zdolności tworzenia makrostruktur. Są to podstawowe parametry świadczące o żyzności gleby (gruntu). W oparciu o wyniki analizy składu granulometrycznego gleby (gruntu) ustala się gatunek gleby (gruntu), a więc podstawowy parametr służący klasyfikacji użytkowej gleby. Dodatkowo skład granulometryczny jest cechą najwolniej zmieniającą się w czasie, co jeszcze bardziej podnosi rangę tego oznaczenia. Określenie składu granulometrycznego gleby daje podstawę do określenia gatunku gleby, co w praktyce jest jednym z ważniejszych oznaczeń wiodącym do wnioskowania o złożonych procesach kształtujących żyzność gleby.
SKŁAD GRANULOMETRYCZNY GLEB Podział fazy stałej gleb na grupy granulometryczne, zróżnicowane pod względem zawartości kamieni i żwiru (szkieletu glebowego) przedstawia się jak poniżej: utwory szkieletowe powyżej 5% frakcji kamieni i żwiru słabo, średnio, silnie, bardzo silnieszkieletowe, szkieletowe właściwe utwory bezszkieletowe mniej niż 5% frakcji kamieni i żwiru.
SKŁAD GRANULOMETRYCZNY GLEB Utwory szkieletowe kamieniste, kamienisto-żwirowe i żwirowe mają niekorzystne właściwości wodne, są ubogie w składniki pokarmowe. Gleby powstałe z takich utworów są bardzo słabe, o niewielkiej wartości użytkowej. Utwory piaszczyste mają bardzo słabe właściwości wodne, sorpcyjne, są ubogie w składniki pokarmowe (łatwość wymywania). Gleby z nich powstałe są słabe, ubogie, z tendencjami do przesuszania, jedynie piaski gliniaste są stosunkowo dobrymi utworami, wymagającymi jednakże nawożenia organicznego. Utwory gliniaste ich właściwości są zróżnicowane, gliny lekkie odznaczają się właściwościami zbliżonymi do piasków gliniastych, gliny ciężkie z kolei są zbyt zlewne, zbite, co decyduje o ich słabych warunkach powietrznych. Najkorzystniejszymi cechami odznaczają się gliny średnie oraz gliny lekkie pylaste, z których powstają urodzajne zasobne gleby. Utwory pyłowe mają bardzo korzystne właściwości powietrzno-wodne i sorpcyjne (zwłaszcza lessy). Gorszymi od lessów cechami odznaczają się pyły grube, z wyraźnie mniejszą zawartością części koloidalnych. Gleby powstałe z pyłów mają bardzo dobre cechy, są żyzne i dają potencjalnie wysokie możliwości plonotwórcze. Utwory ilaste posiadają bardzo dobre właściwości sorpcyjne, natomiast dużo gorsze powietrzno-wodne. Gleby z nich powstałe są potencjalnie żyzne, lecz trudne w uprawie (w stanie suchym zbyt twarde, zbite, w stanie wilgotnym lepkie, zwięzłe i zimne).
SKŁAD GRANULOMETRYCZNY GLEB Na składzie granulometrycznym oparty jest podział gleb na kategorie ciężkości agrotechnicznej gleb: 1. gleby bardzo lekkie piaski luźne i słabogliniaste 2. gleby lekkie piaski gliniaste 3. gleby średnie gliny piaszczyste, gliny lekkie, pyły gliniaste i pyły zwykłe 4. gleby ciężkie gliny piaszczysto-ilaste, gliny zwykłe, gliny ilaste, gliny pylasto-ilaste i pyły ilaste 5. gleby bardzo ciężkie iły piaszczyste, iły pylaste, iły zwykłe i iły ciężkie 6. gleby średnie pyłowe pyły gliniaste i pyły zwykłe 7. gleby ciężkie pyłowe pyły ilaste
SKŁAD GRANULOMETRYCZNY GLEB Skład granulometryczny gleby wskazuje też na to, jak, w jakich kierunkach i w jakim tempie przemieszczają się (lub będą przemieszczać się) w glebie składniki mineralne i związki np. skażające glebę. Migracja zanieczyszczeń w glebach o różnym składzie granulometrycznym (cm), Brady [1984] gleba piaszczysta glina średnia
FAZA CIEKŁA GLEBY - woda molekularna: - higroskopowa, - błonkowata, - woda kapilarna: - właściwa, - przywierająca (zawieszona), - woda wolna: - infiltracyjna (przesiąkająca, grawitacyjna), - gruntowo-glebowa.
FAZA CIEKŁA GLEBY Woda molekularna - pochodzi z adhezji cząsteczek wody na cząstkach glebowych, decydują o niej siły van der Waalsa i hydratacja kationów wymiennych kompleksu sorpcyjnego; zależy od ilości, składu jonowego i rodzaju koloidów glebowych; jony Na+ zwiększają ilość tej wody, jony Ca 2+ i Mg 2+ zmniejszają; w.m. higroskopowa przylega do cząstek fazy stałej, w.m. błonkowata jest na zewnątrz ww. i związana jest słabszymi siłami. 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 trudno dostępna dla roślin; ilość jest 2-4-krotnie wyższa niż wody higroskopowej. Woda kapilarna - woda wciągana lub wypychana z kanalików glebowych przez siły kapilarne; w.k. właściwa to woda w kontakcie z wodą gruntowo-glebowa, podnoszona w kapilarnych kanalikach glebowych ponad zwierciadło wody, przy czym wysokość podnoszenia zależy od składu mechanicznego i struktury gleby; frakcja ilasta piasek 1000 3000 cm i więcej, l 30 cm. Ma ona olbrzymie znaczenie dla wegetacji roślin. w.k. przywierająca pochodzi z opadów atmosferycznych i utrzymuje się w kapilarach, gdy siły kapilarne przewyższają siły zmierzające do przesunięcia wody w dół.
FAZA CIEKŁA GLEBY
Woda glebowa [%] FAZA CIEKŁA GLEBY 2 4 1 8 1 2 6 w o d a d o s tę p n a w o d a n ie d o s tę p n a 3 0 2 0 1 0 Zawartość wody [cm/m gleby] 0 p ia se k p ia s ek g lin ia sty g lin a g lin a p y la sta g lin a c ię ż k a ił skład granulometryczny gleby Stosunki wodne w glebach o różnym składzie granulometrycznym [Brady 1984]
FAZA CIEKŁA GLEBY Woda wolna wypełnia przestwory glebowe szersze od kapilarnych i przemieszcza się pod wpływem sił ciążenia. Napotykając warstwy nieprzepuszczalne tworzy poziom wodonośny. Woda w glebie podlega działaniu różnych sił: elektrostatycznych od ładunków elektrycznych na powierzchni cząstek gleby; decydują o istnieniu wody mineralnej, kapilarnych wypadkowa sił między fazami stałą, ciekłą i gazową; decydują o wodzie kapilarnej, osmotycznych wynikają z różnic stężenia roztworów w okolicy cząstek glebowych; wpływają na kierunek przepływu wody.
FAZA CIEKŁA GLEBY Ruchy wody w glebie: wchłanianie nasiąkanie, wypełnianie porów glebowych, ruch wolnej wody w dół, przesiąkanie filtracja wody gruntowo-glebowej w porach w pełni nasyconych wodą (k współczynnik filtracji): piasek luźny k = 10-2 10-3 cm s -1 glina ciężka k = 10-5 10-7 cm s -1 torf średnio rozłożony k = 10-4 10-5 cm s -1 Chemizm roztworu glebowego mineralizacja wody kapilarnej 100 3000 mg dm -3.
FAZA GAZOWA GLEBY Skład chemiczny atmosfery glebowej: tlen 15-21 % dwutlenek węgla 0-10 % azot para wodna tlenki azotu metan etylen tlenki siarki, siarkowodór inne Para wodna - istnieje w powietrzu glebowym, podlega wymianie z powietrzem atmosferycznym, przepływ następuje od ciśnienia wyższego do niższego (prężność pary wodnej), w warunkach klimatycznych Polski jest mało ważąca w bilansie wodnym gleb.
FAZA GAZOWA GLEBY Wymiana gazowa: dyfuzja stężeniowa (90% wymiany) różnica ciśnień różnice temperatur zmiana ciśnienia atmosferycznego nasilenie wiatru wsiąkanie wody opadowej wahania zwierciadła wody gruntowej 0 30 60 głebokość [cm] powierzchnia gleby po ulewnym deszczu przed ulewnym deszczem 90 120 Tlen w powietrzu glebowym [%] 0 5 10 15 20 Zawartość tlenu w glebie uprawnej przed i po silnym deszczu [Patrick 1977].
GOSPODARKA WODNA GLEBY
GOSPODARKA WODNA GLEBY Typ gruntowo-wodny (GW) gospodarki wodnej charakteryzujący warunki, w których zwierciadło wody gruntowo-glebowej lub strefa wody kapilarnej podpartej znajduje się stale w zasięgu górnej albo środkowej strefy profilu glebowego. Wahania sezonowe zwierciadła wody są zazwyczaj niezbyt duże, Rośliny rosnące na glebie o tym typie gospodarki wodnej są zasadniczo uzależnione od zapasu wody gromadzonej w jej profilu po opadach atmosferycznych. W obrębie typu GW wydzielono 3 podtypy: Podtyp gruntowo-wodny górny (GW g ) Podtyp gruntowo-okresowo górny (GW og ) Podtyp gruntowo-wodny dolny (GW d )
GOSPODARKA WODNA GLEBY Typ opadowo-gruntowo-wodny (OGW) gospodarki wodnej charakteryzuje warunki pośrednie między typami opadowo-retencyjnym i gruntowo-wodnym. Zależnie od sezonowego stanu zwierciadła wody gruntowo-glebowej, którego wahania są na ogół duże, występuje okresowa zmienność pochodzenia wody będącej do dyspozycji roślin. Na wiosnę powiększa jej zapas woda gruntowo-glebowa, natomiast latem i wczesną jesienią, może nastąpić jej deficyt, gdyż o wilgotności gleb decyduje wtedy tylko ich zdolność retencyjna. W obrębie typu OGW wydzielono 2 podtypy: Podtyp opadowo-gruntowo-wodny górny (OGW g ) Podtyp opadowo-gruntowo-wodny dolny (OGW d )
GOSPODARKA WODNA GLEBY Typ opadowo-retencyjny (OR) gospodarki wodnej warunkowany jest takim położeniem użytku w terenie i głębokością zalegania zwierciadła wody gruntowo-glebowej, że jedynym źródłem zaopatrzenia roślin w wodę są opady atmosferyczne magazynowane w porach glebowych. Zwierciadło wody gruntowo-glebowej albo nie wykształca się (gliny, iły), albo leży zbyt głęboko, aby mogło wywierać istotny wpływ na gospodarkę wodną gleby, o której decydują tylko jej zdolności retencyjne. W obrębie typu OR wydzielono 3 podtypy: Podtyp opadowo-retencyjny wadliwy (OR sm ) Podtyp opadowo-retencyjny suchy (OR s ) Podtyp opadowo-retencyjny korzystny (OR k )
GOSPODARKA WODNA GLEBY Przekształcenia gospodarki wodnej gleb: wyczerpywanie wód podziemnych przez ujęcia wodne i kopalnictwo, regulacja cieków wodnych i obudowa kanałów, zanieczyszczenia wód, intensyfikacja upraw rolnych i melioracje rolne.
POPRAWA WARUNKÓW POWIETRZNO-WODNYCH GLEBY Poprawa warunków powietrznych gleb: zabiegi agrotechniczne głęboka orka zabiegi melioracyjne drenaż fitomelioracja