Gleboznawstwo i geomorfologia Wykład dla studentów ochrony środowiska I rok...nie ma życia bez gleby, ani gleby bez życia Stanisław Miklaszewski (1907)
ZAGADNIENIA ORGANIZACYJNE Spotkania co tydzień w zakresie 90 minut, Liczba wykładów 15, Ostatnie spotkanie test zaliczeniowy; wg nowych przepisów wykłady Z (zaliczenie na ocenę), zaliczane są przed rozpoczęciem sesji egzaminacyjnej (ostatni wykład). Brak zaliczenia w tym terminie oznacza powtarzanie przedmiotu (brak jest możliwości zaliczenia w terminie poprawkowym). Istnieje możliwość zwolnienia z testu dla najlepszych osób, tj. z oceną 5 z ćwiczeń. 2
ZAGADNIENIA ORGANIZACYJNE LITERATURA Geomorfologia, Piotr Migoń, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006 Gleboznawstwo, Saturnin Zawadzki, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa 1999 Wybrane metody badań gleboznawczych, J. Gliński, Z. Stępniewska, R. Turski, R. Bennicelli, A. Wolińska, A. Szafranek, P. Charytoniuk, EkoKul, Lublin 2002. 3
WPROWADZENIE Celem wykładu jest przybliżenie studentom czym jest powierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej, a w szczególności: formami rzeźby terenu (geomorfologia) strukturą i właściwościami tej części skorupy Ziemi czyli gleb (gleboznawstwo) 4
WPROWADZENIE Zrozumienie budowy, powstawania, przemian i funkcjonowania powierzchni Ziemi pozwoli lepiej zrozumieć zagrożenia na jakie jest narażona oraz potrzebę jej ochrony. Stąd też będą wynikać zalecenia dotyczące odbudowy zniszczonych (zdegradowanych lub zdewastowanych) gleb za pomocą technik rekultywacji i remediacji (może będzie wykład za rok). 5
Jak wiele mamy gleby? 6
Jak wiele mamy gleby? 7
Jak wiele mamy gleby? 8
Jak wiele mamy gleby? 9
Jak wiele mamy gleby? Zaledwie 3% powierzchni Ziemi stanowią gleby, które wykorzystuje człowiek do swej egzystencji wliczając produkcję żywności. Z tego powodu ochrona tego, nieodnawialnego źródła naturalnych zasobów (podobnie jak woda i powietrze) jest ważnym zagadnieniem. 10
Gleboznawstwo i geomorfologia WYKŁAD 1: PODSTAWOWE POJĘCIA 11
ZADANIA I PRZEDMIOT GEOMORFOLOGII Geomorfologia to termin z języka greckiego: geo - Ziemia, morfo - forma, logos - rozmowa, rozprawa. Jest nauką o formach rzeźby i formowaniu powierzchni Ziemi, jej ukształtowaniu. Wchodzi w skład Nauk o Ziemi (Geosciences) badających poszczególne elementy środowiska geograficznego. 12
Przedmiotem i zadaniem badań geomorfologicznych jest rzeźba powierzchni Ziemi. W obecnej rzeźbie są widoczne formy stare, utworzone w dawnych, przeważnie odmiennych warunkach środowiskowych, oraz formy młode utworzone w dzisiejszych warunkach klimatycznych. Z analizy form najmłodszych, rozpatrywanych na tle dzisiejszych warunków geologicznych, orograficznych, klimatycznych, hydrograficznych, roślinnych i gospodarczych można wnosić o dalszych tendencjach rozwoju rzeźby. 13
Do form rzeźby powierzchni Ziemi zaliczamy układy hierarchiczne o rosnącej złożoności. Do dużych zaliczamy np. kontynenty i łańcuchy górskie, mniejsze to np. doliny rzeczne, a najmniejsze (mikroformy) to np. kociołki wietrzeniowe. Duże formy zbudowane są z zespołów form mniejszych i na ogół rozwijają się dłużej. Zagadnienia dotyczące poszczególnych form zostaną dokładnej opisane na kolejnych wykładach. 14
Badanie rzeźby polega na: opisywaniu form powierzchni Ziemi (m o r f o g r a f i a), np. dolina, wyżyna, dolina ustalaniu cech geometrycznych (m o r f o m e t r i a), długość, wysokość, nachylenie określaniu pochodzenia (m o r f o g e n e z a), oznaczaniu wieku form (m o r f o c h r o n o l o g i a). Badane są zarówno formy pojedyncze i na tej podstawie są wyróżniane genetyczne typy form, jak również zespoły form, co umożliwia wydzielanie genetycznych typów rzeźby. Badanie form, a zwłaszcza badanie ich powstania i mechanizmu rozwoju, przeprowadza się zawsze na tle i w powiązaniu z innymi elementami środowiska geograficznego, zmieniającymi się w ciągu tego rozwoju. 15
PODZIAŁ GEOMORFOLOGII Geomorfologia jako dział geografii, czasem geologii, usamodzielniła się dopiero przed ok. 200 laty. Jej bujny rozwój w ciągu ostatnich 100 lat doprowadził, podobnie jak w innych naukach, do wyodrębniania się działów, gałęzi i kierunków. Uwzględniając zadania i metody badawcze, rozróżnia się: geomorfologię historyczną geomorfologię dynamiczną 16
Zadaniem geomorfologii historycznej są badania zmierzające do poznania rozwoju geomorfologicznego określonego obszaru oraz dalszych jego tendencji rozwojowych na tle budowy geologicznej i w powiązaniu z pozostałymi elementami środowiska geograficznego, zmieniającymi się w ciągu tego rozwoju. Stosuje się tu metodę dedukcyjną; na podstawie analizy form o określonym wyglądzie, rozmiarach, pochodzeniu i wieku są odtwarzane czynniki i procesy rzeźbotwórcze oraz etapy rozwoju rzeźby. 17
Zadaniem geomorfologii dynamicznej jest poznawanie genezy i mechanizmu rozwoju form na podstawie badania dzisiejszych sił i procesów rzeźbotwórczych, którymi rządzą prawa fizyczne. Stosuje się tu metodę indukcyjną; badania polegają na: 1) bezpośredniej obserwacji przebiegu i pomiarach natężenia procesów morfogenetycznych (rzeźbotwórczych) w terenie, 2) kontroli zdarzeń i wykonywaniu doświadczeń w laboratoriach, 3) kameralnych pomiarach procesów opartych na powtarzanych naziemnych i lotniczych zdjęciach fotogrametrycznych oraz na porównywaniu ze sobą map z różnych okresów. 18
Ze względu na cel i zakres rozróżnia się: geomorfologię ogólną geomorfologię regionalną Geomorfologia ogólna zmierza przez badania poszczególnych form i typów rzeźby w skali całej Ziemi do poznania praw rozwoju różnych form i typów rzeźby. Geomorfologia regionalna zmierza przez badanie wszystkich form na określonym obszarze do poznania charakteru, pochodzenia i rozwoju rzeźby tego obszaru. 19
Obok metod geomorfologicznych stosuje się zapożyczone, pomocnicze metody: geodezyjne, fotograficzne i fotogrametryczne, geologiczno-geofizyczne, petrograficzno-sedymentologiczne, gleboznawcze, botaniczne i paleobotaniczne, zoologiczne i paleontologiczne, hydrologiczne, hydrodynamiczne i metody historyczne (T. Gerlach i in. 1978). 20
Geodezja dostarcza geomorfologom wiadomości o wielkości i kształcie Ziemi oraz danych o ukształtowaniu w postaci map topograficznych. Znajomość budowy geologicznej pozwala geomorfologowi na: określenie roli składu i ułożenia skał w rozwoju rzeźby, śledzenie powiązań między rzeźbą a budową geologiczną, oznaczenie pochodzenia i wieku form. Wspólną z geologią dziedziną zainteresowań jest skorupa ziemska oraz czynniki i procesy na niej zachodzące. Znajomość tych czynników służy geologom do wyjaśnienia genezy osadów, natomiast geomorfologom do wyjaśnienia genezy form. 21
Geofizyka informuje o budowie Ziemi oraz o siłach i procesach endogenicznych, stwarzających zasadnicze nierówności powierzchni Ziemi, a także i ukształtowaniu kopalnych powierzchni. Hydrologia daje geomorfologom znajomość praw krążenia wód morskich oraz praw rządzących ruchem wód powierzchniowych, podpokrywowych i podziemnych, warunkujących przebieg i rozmiary erozji, transportu i akumulacji. Hydrografia zaś informuje o obiegu wód i reżimach rzek, w dużym stopniu uzależnionych od ukształtowania dorzecza. Klimatologia dostarcza bardzo ważnych wiadomości o elementach klimatu, decydujących o charakterze, przebiegu i natężeniu głównych procesów rzeźbotwórczych. 22
Glacjologia dostarcza wiadomości o ruchu lodowców i prawach tym ruchem rządzących, natomiast geomorfologia udowadnia wielki wpływ ukształtowania podłoża na charakter i przebieg glacjacji i deglacjacji. Pedologia (gleboznawstwo) informuje o rozmieszczeniu, miąższości, składzie oraz o właściwościach fizycznych i chemicznych gleb, warunkujących ich różne podatności na procesy morfogenetyczne. Gleby kopalne umożliwiają datowanie form, na których się zachowały. 23
Powiązania geomorfologii z zoologią i paleontologią także przynoszą ciekawe wyniki. Okazuje się, że zwierzęta nie tylko stwarzają różnego rodzaju mikroformy, ale także przyspieszają skuteczność procesów morfogenetycznych. Podobnie jak kopalne szczątki roślinne, również kopalne szczątki zwierzęce pomagają określić wiek form, są także cennymi wskaźnikami paleośrodowiskowymi. W naukach ekonomicznych i antropogeografii rola geomorfologii jest niestety mało doceniana. Tymczasem znajomość ukształtowania terenu i kształtujących go procesów jest konieczna zarówno przy analizowaniu, jak i planowaniu osadnictwa, komunikacji, rolnictwa, przemysłu, zakładów energetycznych, turystyki itp. i odwrotnie społeczeństwo jest jednym z czynników modelujących, a raczej przeobrażających powierzchnię Ziemi. 24
KIERUNKI W GEOMORFOLOGII W ostatnich dziesięcioleciach wystąpiły tendencje do rozróżniania geomorfologii strukturalnej i geomorfologii klimatycznej oraz wprowadzenia i lansowania tzw. geomorfologii ilościowej, teoretycznej, stosowanej, a także w zależności od dziedziny zainteresowania: geomorfologii peryglacjalnej, glacjalnej, literalnej i antropogenicznej. Wymienione geomorfologie" są kierunkami badań i nie mogą pretendować do samodzielności lub odrębności. 25
Istnieją dwa przeciwstawne kierunki w geomorfologii dotyczące czynników kształtujących procesy tworzenia form. 1. Geomorfologia strukturalna (tradycyjna) zakłada dominujący wpływ budowy geologicznej na przebieg procesów rzeźbotwórczych i charakter powstających form. 2. Geomorfologia klimatyczna, uważana jest za bardziej nowoczesną, traktuje ona uwarunkowania zewnętrzne (klimat) jako główny czynnik rzeźbotwórczy, pomniejszając rolę czynnika geologicznego. 26
Powiązanie rzeźby i procesów rzeźbotwórczych z warunkami klimatycznymi doprowadziło do twierdzenia, że istnieje tyle cyklów rozwojowych, ile dziedzin klimatycznych. Na podstawie klasyfikacji klimatycznej, głównie W. Kóppena (1900), wyróżniono: 1 - cykl w klimacie umiarkowanym wilgotnym (W.M. Davis 1899), 2 - cykl w klimacie suchym (W.M. Davis 1899), 3 - cykl w klimacie zimnym (W.M. Davis 1899), 4 - cykl w klimacie peryglacjalnym (C. Troll 1944), 5 - cykl w klimacie półsuchym (C. Cotton 1947), 6 - cykl w klimacie sawannowym (C. Cotton 1947), 7 - cykl w klimacie gorącym wilgotnym (C. Cotton 1947). 27
Mimo istniejących podziałów przyjmuje się, że istnieje jedna geomorfologia, badająca formy i formowanie powierzchni Ziemi w nawiązaniu do budowy geologicznej oraz warunków klimatycznych, które panowały w czasie całego rozwoju geomorfologicznego danego obszaru aż po czasy dzisiejsze. Do określenia roli obecnego i dawnych klimatów w rozwoju rzeźby jakiegoś obszaru jest konieczne datowanie form według chronologii geologicznej oraz znajomość warunków paleoklimatycznych. 28
Geomorfologia ilościowa przedstawia za pomocą analizy statystycznej elementy rzeźby oraz czynniki i procesy rzeźbotwórcze w kategoriach liczbowych (ilościowych, quantitavie geomorphology) (A. Strahler 1954). Geomorfologia teoretyczna przedstawia przy użyciu wzorów zmiany kształtów form, traktowanych jak bryły geometryczne, zgodnie z prawami fizyki (A. Scheidegger). Geomorfologia stosowana (applied geomorphology) zmierza do oceny przydatności różnych form terenu dla różnych działów gospodarki (prace inżynieryjne, planowanie regionalne itp.). CDN 29
Gleboznawstwo i geomorfologia PODSTAWOWE POJĘCIA 30
PODSTAWOWE POJĘCIA GLEBOZNAWCZE Gleboznawstwo (pedologia) - dział nauk przyrodniczych, który zajmuje się badaniem gleb Celem jest poznanie: 1) procesów powstawania i przekształcania gleb, 2) budowy gleb, 3) składu mineralnego, 4) właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych gleb, 5) przydatności rolniczej i żyzności gleb, 6) przestrzennego rozmieszczenie jednostek systematycznych, 7) funkcji gleb w ekosystemach. 31
Gleboznawstwo (pedologia) jest nauką interdyscyplinarną - wykorzystuje wyniki badań geologii, mineralogii, petrografii, geochemii, mikrobiologii, ekologii, itp. Podejścia go zagadnień glebowych: gleboznawstwo terenowe (idiograficzne) opis, klasyfikacja gleb i ich części składowych, gleboznawstwo analityczne (nometyczne) prawa dotyczące zjawisk glebowych, badania procesów fizycznych chemicznych i biologicznych. 32
GLEBA (PEDOSFERA) przedmiot gleboznawstwa jest naturalny twór przyrody, stanowiący wierzchnią warstwę litosfery, który wytworzył się w ze zwietrzeliny skalnej pod wpływem oddziaływania czynników biotycznych i abiotycznych działających w czasie. Miejsce pedosfery wśród pozostałych geosfer (wg. Hanes a, 1997) 33
Najważniejsze cechy gleby: jest tworem dynamicznym, tzn. zmiennym w czasie (ciągłe przemiany chemiczne, mineralizacja, humifikacja, przemieszczanie substancji, podział i obumieranie mikroorganizmów), jest układem wielofazowym (faza stała tworzywo mineralne i substancja organiczna, faza ciekła woda glebowa i faza gazowa powietrze glebowe), jest zdolna do zaspokajania potrzeb pokarmowych i wodnych roślin, a pośrednio zwierząt, jest integralnym elementem wszystkich ekosystemów lądowych i niektórych wodnych 34
Pojęcia odnoszące się do wierzchniej warstwy litosfery (nie będące synonimami gleby) grunt, najszersze znaczenie, całość lub część posiadanej powierzchni, np. grunty rolne, grunty zajęte pod nieruchomości. W naukach technicznych - pojęcie gruntoznawstwo, odnosi się do poznania cech podłoża, na którym ma być postawiony budynek, ze szczególnym uwzględnieniem poziomu wód gruntowych, uziarnienia, głębokości przemarzania itp. ziemia w ogrodnictwie to specjalnie przygotowane podłoże dla określonej uprawy, np. ziemia do kwiatów, również pojęcie tradycyjne, w znaczeniu tj. przywiązanie do ziemi. podłoże w ogrodnictwie - warstwa, w której rozwijają się podziemne części roślin, w gleboznawstwie pojęcie węższe, dotyczy warstwy podścielającej w glebach niecałkowitych (miąższość gleby powstałej na materiale skalnym jednorodnego pochodzenia jest mniejsza niż 150 cm). rola warstwa gleby zajmowana pod uprawę. podglebie warstwa gleby pod warstwą orną. 35
Proces glebotwórczy całokształt zjawisk fizycznych, chemicznych i biochemicznych, zachodzących w powierzchniowej warstwie skorupy ziemskiej, w wyniku których ze zwietrzeliny skalnej w określonych warunkach rzeźby terenu i klimatu kształtuje się profil glebowy. Proces tworzenia się gleby wg Hanes a, 1997 36
Czynniki glebotwórcze zespół elementów środowiska geograficznego, których układ ukierunkowuje proces kształtowania się gleb. skała macierzysta, klimat, biosfera, ukształtowanie powierzchni (relief, rzeźba terenu), hydrosfera, czas 37
Profil glebowy pionowy przekrój przez wszystkie poziomy genetyczne gleby (od powierzchni do skały macierzystej). Uzewnętrznia cechy gleby wytworzone w czasie procesu glebotwórczego, zachodzącego pod wpływem działania czynników glebotwórczych. 38
Pedon najmniejsza jednorodna pod względem genetycznym objętość gleby pozwalająca na zbadanie i zdefiniowanie wszystkich typowych jej elementów składowych, poziomów genetycznych i właściwości w danym momencie. W praktyce jest to graniastosłup o wysokości równej miąższości gleby i powierzchni górnej wielobocznej równej od 1 do kilku metrów kwadratowych). 39
Morfologia gleby dział gleboznawstwa, który opisuje cechy zewnętrzne profilu glebowego. Poziom genetyczny warstwa mineralna lub organiczno-mineralna, znajdująca się w obrębie profilu glebowego, w przybliżeniu równoległa do powierzchni gleby, odróżniająca się od sąsiednich poziomów stosunkowo jednorodną barwą, strukturą, składem chemicznym, zawartością materii organicznej i innymi cechami ukształtowanymi głównie na drodze działania procesu glebotwórczego. Miąższość gleby jedna z cech morfologicznych, jest to sumaryczna grubość wszystkich poziomów czy warstw objętych procesami 40 glebotwórczymi.
FUNKCJE GLEBY wg ISO(International Organization for Standarization Soil Quality ISO/TC190) 1. Kontrola obiegu pierwiastków i energii w ekosystemach (obieg węgla, azotu, siarki), wpływ na globalne zmiany klimatyczne (mineralizacja substancji organicznej, powstawanie CO, CO 2 ). 2. Nośnik konstrukcji inżynierskich i budynków - podłoże dla zakładów przemysłowych, osiedli mieszkaniowych (dzienny ubytek powierzchni ziemi zajętej przez industrializację i urbanizację w Polsce 10 ha, w Austrii 20 ha, w Niemczech 120 ha). 3. Nośnik produkcji rolnej gleba jako miejsce produkcji biomasy, a wiec transformacji energii słonecznej w chemiczną energię fitomasy. Stwarza zabezpieczenie warunków życia roślin, zwierząt i człowieka. Powstają produkty żywnościowe, pasza dla zwierząt hodowlanych, odnawialne źródła energii, tekstylia, drewno, lekarstwa z ziół. 41
FUNKCJE GLEBY wg ISO(International Organization for Standarization Soil Quality ISO/TC190) 4. Gromadzenie i ochrona zapasów wody - gleba filtruje, buforuje i przekształca szkodliwe substancje chemiczne zawarte w wodzie opadowej, wpływając na jakość wody pitnej i jakość produkowanej żywności. 5. Rezerwuar genetyczny - siedlisko wielkiej ilości organizmów oraz niezmierzone zasoby genów (glebowe DNA) powodują duże zainteresowanie biotechnologii i inżynierii genetycznej. W glebie żyje ok. 400 razy więcej gatunków organizmów niż na jej powierzchni. 6. Ochrona części archiwów historii przyrody i archiwum archeologiczne (znaleziska paleontologiczne i archeologiczne). 42
FUNKCJE GLEBY wg ISO(International Organization for Standarization Soil Quality ISO/TC190) Funkcja produkcyjna, retencyjna, filtrująca, sanitarna, nośnika konstrukcji 43
FUNKCJE LITOFSERY Produkcja rolna i leśna Źródło surowców mineralnych Podłoże pod zabudowę Dziedzictwo kulturowe Filtracja wody Rezerwuar genetyczny 44
GENEZA GLEBY I. Wietrzenie skał i minerałów pod wpływem czynników zewnętrznych (atmosfera, woda, organizmy żywe) a) Wietrzenie fizyczne (mechaniczne) rozpad skał pod wpływem zmian temperatury wywołanych nasłonecznieniem, mrozem (różne współczynniki rozszerzalności cieplnej minerałów budujących skały). Ma znaczenie na obszarach o dużych rocznych i dobowych wahaniach temperatur (góry, pustynie, stepy). Czynniki sprzyjające wietrzeniu: - wilgotność zamarzanie wody w szczelinach skał, - obecność roślin mechaniczne działanie korzeni. b) Wietrzenie chemiczne i biochemiczne - rozpad skał i minerałów pod wpływem wody (szczególnie z rozpuszczonym CO 2, kwasami humusowymi). 45
GENEZA GLEBY wietrzenie skał i minerałów Procesy wietrzenia chemicznego i biochemicznego 1. Hydroliza rozpuszczanie minerałów, głównie krzemianów i glinokrzemianów w wodzie K 2 Al 2 Si 6 O 16 + 3H 2 O 2KOH + H 2 Al 2 Si 2 O 8 ۰H 2 O + 4SiO 2 ortoklaz kaolinit krzemionka 2. Hydratacja (uwadnianie) najczęściej łącznie z hydrolizą, pod działaniem bezwodnika kwasu węglowego i tlenu FeCO 3 + H 2 O Fe(OH) 2 + CO 2 46
GENEZA GLEBY wietrzenie skał i minerałów 3. Utlenianie (oksydacja) np. przejście magnetytu w hematyt. 4. Odtlenianie (redukcja) zachodzi przy braku tlenu w obecności substancji organicznej i bakterii redukujących, np. odtlenianie połączeń żelazowych prowadzi do zmiany barwy skał z czerwonobrązowej w białożółtą. 5. Karbonatyzacja (uwęglowienie) powstają węglany i dwuwęglany. CaCO 3 + H 2 CO 3 Ca(HCO 3 ) 2 +H 2 O + CO 2 6. Desilikacja (odkrzemionkowanie) ubytek krzemionki z krzemianów i glinokrzemianów 47
GENEZA GLEBY wietrzenie skał i minerałów II. Zasiedlenie zwietrzeliny skalnej przez mikroorganizmy. Zwietrzały materiał staje się bazą dla rozwoju mikroorganizmów, które powodują biologiczny obieg materii, obejmujący: - powstawanie, - migrację, - gromadzenie w powierzchniowej warstwie zwietrzeliny skalnej substancji organicznych i połączeń organiczno-mineralnych. Powstaje nowa jakość żyzność gleby. III. Różnicowanie się poziomów genetycznych w profilu glebowym. Przemieszczanie niektórych substancji mineralnych i organicznych w pionie wraz z wodą opadową powoduje różnicowanie się cech gleby na różnych głębokościach. 48
Dziękuję za uwagę 49