FIZYKA I CHEMIA GLEB Pory glebowe, a rodzaje wód Pojemność wodna gleb Właściwości hydrofizyczne gleby
Wielkość porów glebowych w µm (1µm=0,001mm) i występujące w nich rodzaje wód Woda kapilarna Woda kapilarna (woda łatwo dostępna) 4-0,2 <0,2 woda Woda kapilarna higroskopowa błonkowata chem.związ. (trudno dostępna) (niedostępna) pf = 2,9 pf = 2,0 pf = 0 (odcieka) 8,5-4 Efektywna retencja użyteczna ERU Potencjalna retencja użyteczna PRU pf = 4,2 Woda grawitacyjna 30-8,5 (3,0) >30mm
Postacie wody w glebie, wg Lazar
Próbka gleby gliniastej w powiększeniu. Widać wyraźnie makropory o rozmiarze ok. 0.1 mm, agregaty gleby (jasnobrązowe) wymiary ok. 0.3 mm oraz układ mezo- i mikroporów. 1 mm
Przestrzenna struktura makroporów w glebie Rekonstrukcja przestrzennej struktury makroporów Próbka gleby została ustabilizowana przez impregnację, pokrojona na 120 plasterków (co 0.1mm), które zostały sfotografowane. Obrazy zostały zeskanowane i przetworzone cyfrowo z rozdzielczością 0.12 mm. Na tej podstawie, w każdym plasterku zidentyfikowano położenie makroporów. Następnie ze 120 plasterków odtworzono przestrzenną strukturę makroporów Widoczne są poziome i pionowe długie korytarze wytworzone przez różnego rozmiaru robaki, a także najdrobniejsze pory wytworzone przez najmniejsze korzenie roślin. Cousin, 1996
Zależność między właściwościami wodnymi gleb a ich składem mechanicznym wg Brady ego 30 37,5 Woda wolna PPW 30,0 procent wody 18 współczynnik więdnięcia 22,5 12 15,0 Woda higroskopowa, niedostępna 6,0 0,0 7,5 piasek glina piaszczysta glina pył glina ilasta 0 ił cm wody/metr gleby Woda kapilarna łatwo i trudno dostępna 24
Pojemność wodna gleb Pełna pojemność wodna to stan nasycenia wodą gleby przy którym wszystkie przestwory (lub prawie) są wypełnione wodą Maksymalna dopuszczalna pojemność wodna dopuszczalne maksimum uwilgotnienia gleby (max zapas wody), przy którym w glebie znajduje się niezbędna ilość powietrza (z punktu widzenia roślin) Optymalna pojemność wodna optymalne uwilgotnienie, przy której zapewniona jest najkorzystniejsza ilość wody i powietrza Polowa pojemność wodna max ilość wody, jaką może utrzymać gleba przez dłuższy czas (przy całkowitym wyeliminowaniu parowania gleby) Pojemność okresu suszy minimalny dopuszczalny stan uwilgotnienia gleb zapewniający roślinie pobór wody trudno dostępnej (błonkowatej) niedostępna jest woda higroskopowa. Pojemność trwałego więdnięcia roślin (współczynnik więdnięcia) jest zapasem wody niedostępnej dla roślin (fizjologicznie nieczynnej, chemicznie związanej, tj. wody higroskopowej)
Wykres Janoty, Solnara układu stosunków wodnych w profilu gleb 50 40 30 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Maksymalne dopuszczalne stany uwilgotnienia gleb Dopuszczalne maksimum uwilgotnienia jest zależne: - rodzaju rośliny - fazy wegetacji - rodzaju gleby - właściwości wody i jej ruchliwości O dopuszczalnym maksymalnym uwilgotnieniu decyduje nie absolutna ilość wody, lecz ilość powietrza w glebie wg Kopeckiego min zapasy powietrza wynoszą: trawy 6-10% (objętości gleby) pszenica i owies 10-15% jęczmień i buraki 15-20%
Gdy brakuje powietrza (intensywność oddychania korzeni 0,2-3,0 mg m-3 s-1) może dojść do niepożądanych procesów anaerobowych, następuje zanik mikroorganizmów tlenowych i zmniejszenia przyswajalności zapasów pokarmowych, pośrednio w stężeniach szkodliwych nagromadzenie CO2 (>10%), deficyt azotu (na skutek denitryfikacji), powstawanie Mn2+, Fe2+, NO2-, S2-, CH4, C2H4 200 100 Zwierciadło wody gruntowej 0 Zawartość powietrza w glebie 20 40 % obj. gleby
Potencjał wody glebowej O dostępności wody do systemu korzeniowego roślin decydują siły wiązania wody w roztworze glebowym czyli stan energetyczny wody wyrażony przez potencjał termodynamiczny Ψc = Ψm+ Ψp+ Ψo+ Ψg [J kg ] [J m = N m ] [J mol ] Ψm składowa związana ze zmianami wilgotności gleby, tzw potencjał matrycowy, -1-3 -2-1 składowa ta decyduje o występowaniu różnych postaci wody w glebie od wody molekularnej dla małych wilgotności poprzez wodę błonkowatą i kapilarną do wody wolnejdla wartości wilgotności bliskich nasyceniu Ψp składowa związana ze zmianami ciśnienia zewnętrznego tzw potencjał ciśnieniowy Ψo składowa związana z koncentracją soli w roztworze glebowym potencjał osmotyczny Ψg składowa charakteryzująca oddziaływanie pola grawitacyjnego potencjał grawitacyjny
Potencjały wiążące różne formy wody w glebach wg Schroeder O(hs) wyraża empiryczną charakterystykę krzywa retencji wodnej gleb (hs wyrażamy lg10 I hs I = pf ) Równanie określające kształt krzywej { θ (hs) = θ s exp µ [ ln ( hs ) ] 2 } θs uwilgotnienie przy stanie pełnego nasycenia [m3 m-3] µ, - parametr empiryczny [m-2] θ wilgotność objętościowa [m3 m-3]
pomiar pf, tensjometry zasada działania po jest ciśnieniem odniesienia, ciśnienie hydrostatyczne w ramieniu otwartym tensjometru jest równe zero (występuje jedynie ciśnienie atmosferyczne). Zastępujemy zlewkę wypełnioną wodą, na zlewkę z glebą, to odczyt manometru obniży się. Odczyt przy nowym stanie wynosi p, więc ciśnienie ssące wody glebowej: hs = -(p0 p) [cm, hpa, Bar]
Krzywa pf (o) dla warstwy ornej czarnej ziemi, podano ważniejsze pojemności wodne; wg Trzecki Aparatura do badania charakterystyki potencjał wody glebowej-wilgotność firmy Soil Moisture Equipment Corporation
Krzywe pf dla wybranych gleb polskich. 1- piasek słabo gliniasty, 2- glina lekka, 3 ił. wg Zawadzki
Krzywe pf hydrogenicznych gleb Polski wg Zawadzki 1 piasek luźny 2 piasek gliniasty 3 pył lesowy 4 - glina ciężka pylasta 5 - glina ciężka ilasta Ekstraktor ciśnieniowy do pracy przy ciśnieniach do 5 barów Ekstraktor ciśnieniowy do pracy przy ciśnieniach do 15 barów ο%
Relacje między jednostkami potencjału wody glebowej a odpowiadającymi im równoważnymi średnicami porów Ekstraktor membranowy 0-15 barów firmy Soil Moisture Equipment Corporation Ekstraktor membranowy do pracy przy ciśnieniach do 100 bar
Ciśnienie ssące systemów korzeniowych niektórych roślin [hpa] Pszenica ozima Pszenica jara Żyto Jęczmień Kukurydza Koniczyna czerwona Buraki cukrowe Rzepak ozimy Słonecznik 6789 11 247 hpa 5370-8207 9727 14 489 9727 16 212 27 358 12 868 16 212 8513 8513 14 489
Czujnik ciśnienia 143PC15D1 (15 psi 1 bar) firmy Honeywell Składa się: ceramicznego sączka z drobnymi porami, Przezroczystej rurki z tworzywa sztucznego (do pracy musi być napełniona wodą), wakuometru z skalą, Uszczelek Tensjometry elektroniczne i urządzenie czytnik Tensjometry z manometrami
7 4 5 6 S TDR 1 3 8 2 10 14 9 11 13 15 12 Układ pomiarowy źródło napięcia odniesienia, 2 przetwornik ciśnienie-napięcie, 3 - karta akwizycji danych, 4 - komputer stacjonarny, 5 TDR, 6 - komputer przenośny, 7 układ sterowania pracą pompy, 8 - pompa próżniowa, 9 tensjometr, 10 cylinder pomiarowy, 11- sonda do pomiaru wilgotności, 12 zbiornik, 13 wakułometr, 14 elektrozawór, 15 zbiornik wyrównawczy próżniowy.
4 5 6 TDR 1 Układ pomiarowy 1 źródło napięcia odniesienia, 2 przetwornik ciśnienie-napięcie, 3 - karta akwizycji danych, 4 - komputer stacjonarny, 5 TDR, 6 - komputer przenośny, 7 cylinder pomiarowy, sonda do pomiaru wilgotności, 8 tensjometr, 9 zbiornik. 3 2 7 8 9
Krzywa retencyjności wodnej gleb, opis analityczny Do rozwiązania podstawowego równania różniczkowego przepływu jakim jest równanie Richards a, często wymagany jest analityczny opis krzywej pf. Do analitycznego opisu krzywych retencyjności wodnej gleby, wykorzystano równanie van Genuchtena Θ = Θr + Θs Θ r (1 + α h ) n m Θ - wilgotność aktualna [cm cm-3], Θs wilgotność przy stanie pełnego nasycenia [cm cm-3], Θr wilgotność resztkowa [cm cm-3], h ciśnienie ssące [cm], α - parametr kształtu [cm-1], n, m parametry empiryczne [-].
do wyznaczenia parametrów Θs, α, n, m występujących w równaniu van Genuchtena można posłużyć się funkcjami zaproponowanymi przez Wöstena Θ s = 0.7919 + 0.001691 C 0.29619 ρ b 0.00000149 1 S 2 1 1 α * = 14.96 + 0.03135 C + 0.0351 S + 0.646 OM + + 0.0000821 OM + 0.02427 C + 0.01113 S + 0.01472 ln( S ) 0.0000733 OM C 0.000619 ρ b C 15.29 ρ b 0.192 topsoil 4.671 ρ b 0.000781 C 2 0.001183 ρ b OM 0.0001664 topsoil S + 0.1482 ln(om ) 0.04546 ρ b S 0.4852 ρ b OM 2 2 0.00687 OM 2 + 0.0449 OM 1 + 0.0663 ln( S ) + 0.00673 topsoil C α = exp α n = exp n m = 1 1 n n * = 25.23 0.02195 C + 0.0074 S 0.1940 OM 2 + 45.5 ρ b 7.24 ρ b + 0.0003658 C 2 + 0.002885 OM 2 1 12.81 ρ b 0.1524 S 1 0.01958 OM 1 C udział frakcji <0.002 mm [%], 0.2876 ln( S ) 0.0709 ln(om ) 44.6 ln( ρ ) S udział frakcji 0.002 mm - 0.5 mm [%], 0.02264 ρ C + 0.0896 ρ OM + 0.00718 topsoil C OM procentowy udział substancji organicznej [%], ρb gęstość objętościowa gleby [g cm-3], topsoil zmienna jakościowa równa 1 (dla podglebia przyjmuje się 0), α*, n* - przekształcone parametry do wzoru van Genuchtena b b b
Charakterystyka wilgotnościowa jednorodnej frakcji piaszczystej hs(ο) wg Bolta Nieregularność kształtu porów glebowych tłumaczy efekt histerezy, zależności pomiędzy potencjałem wody glebowej pf, a wilgotnością. Nieregularne kapilary napełniają się przy podciśnieniu PR, a opróżniają przy podciśnieniu Pr Pętle histerezy charakterystyk dla dużego, średniego i małego zagęszczenia czarnej ziemi
Ruch wody w glebie przesiąkanie i filtracja Przesiąkanie, czyli filtracja wody glebowogruntowej przebiega w porach w pełni nasyconych wodą przy przeważającym poziomym kierunku ruchu. Miarą filtracji jest współczynnik filtracji czyli współczynnik przewodności wodnej przy stanie pełnego nasycenia. Sposoby określenia: metody obliczeniowe i pomiarowe, które z kolei dzielą się na polowe i laboratoryjne. Do wyznaczenia wartości współczynnika filtracji na polu nadają się dwie metody polowe (metoda studzienkowa oraz metoda infiltracji zatopionej) oraz metodę laboratoryjną stałego gradientu Wartości współczynnika filtracji różnych utworów
Przewodnictwo wodne K(h) [ ] 1 + α h n m α h n 1 K ( h) = K s n m ( l + 2 ) 1+ α h [ 2 ] parametrem opisującym ruch wody w strefie nienasyconej gleby jest przewodnictwo wodne K(h), które jest opisane równaniem zaproponowanym przez van Genuchtena i Mualema Ks współczynnik filtracji [m d-1], l parametr kształtu [-], h ciśnienie ssące [cm], α - parametr kształtu [cm-1], n, m parametry empiryczne [-].
Przykład parametryzacji profilu glebowego -0.25 poziom próchniczny 0.00 Ks cm/d θr θs α l C 44.5 0 0.36 0.0082 1.2542-1.34 12.20 0 0.35 0.0080 1.2496-1.22 13.05 podeszwa 8.4 płużna - - 1/cm n - - % S OM ρ % b g/cm3 65.80 1.5 1.65 65.45 0.9 1.68 % warstwa podglebia -0.75 18.8 0 0.39 0.0127 1.2461-1.11 17.02 63.94 0.4 1.60-1.25-1.50 Θr wilgotność resztkowa Θs wilgotność przy stanie pełnego nasycenia α parametr kształtu [cm-1] -1.00 n - parametr empiryczny podglebie o dużej gęstości i małej przepuszczalności Głębokość [m] -0.50 Ks współczynnik filtracji I (zamiast K(h) 8.4 0 0.37 0.0142 1.1958-1.82 21.60 58.20 0.3 1.63 C udział frakcji <0,002 mm [%] S 0,002 0,5 mm [%] OM udział substancji organicznej [%] ρb gestość objętościowa gleby