Fizyczne Właściwości Gleb

Transcript

FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB Główne składniki gleb powietrze 25% substancja mineralna 45% substancja organiczna 5% woda 25% Trójfazowy układ gleby
Faza stała – składniki mineralne, składniki organiczne, związki mineralno-organiczne
Faza ciekła – roztwór glebowy, czyli woda z rozpuszczonymi w niej związkami mineralnymi i organicznymi
Faza gazowa – powietrze glebowe, czyli mieszanina gazów i pary wodnej Faza stała gleby
Składniki mineralne – okruchy skał, minerały, substancje mineralne
Składniki organiczne – próchnica, resztki roślinne, zwierzęce, organizmy glebowe
Związki mineralno-organiczne WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE GLEB
Skład mechaniczny (granulometryczny)
Gęstość: właściwa, objętościowa
Porowatość
Zwięzłość
Plastyczność
Lepkość
Pęcznienie i kurczenie się gleb Skład granulometryczny gleb (tekstura gleb) Frakcja – zbiór ziaren (cząstek) o określonych średnicach, mieszczących się w przedziale liczb granicznych, które wyznaczają największą i najmniejszą średnicę zastępczą określonej frakcji, np. 1,0-0,1 mm.
Części szkieletowe – ziarna o średnicy > 1,0 mm
Części ziemiste – ziarna o średnicy < 1,0 mm Podział fazy stałe na frakcje granulometryczne (wg. BN-78/9180-11) Grupa frakcji Frakcja Podfrakcja kamienie > 20 grube średnie drobne Części szkieletowe > 200 200-100 100-20 20-1 Ŝwir gruby drobny piasek 20-10 10-1 1,0-0,1 gruby średni drobny Części ziemiste Średnica [mm] pył 1,0-0,5 0,5-0,25 0,25-0,1 0,1-0,02 gruby drobny części iłowe 0,1-0,05 0,05-0,02 < 0,02 ił pyłowy gruby ił pyłowy drobny ił koloidalny 0,02-0,006 0,006-0,002 < 0,002 Krzywa uziarnienia Podział utworów glebowych na grupy i podgrupy granulometryczne Podział utworów glebowych na grupy i podgrupy granulometryczne wg. BN-78/9180-11 Zawartość frakcji [%] Grupy – podgrupy granulometryczne (symbol) Piasek 1 - 0,1 mm Pył 0,1 - 0,02 mm Części iłowe < 0,02 mm Piaski -piasek luźny (pl) -piasek luźny pylasty (plp) -piasek słabo gliniasty (ps) -piasek słabo gliniasty pylasty (psp) -piasek gliniasty lekki (pgl) -piasek gliniasty lekki pylasty (pglp) -piasek gliniasty mocny (pgm) -piasek gliniasty mocny pylasty (pgmp) 70-100 55-74 65-94 50-68 60-89 45-63 55-84 40-58 0-25 26-40 0-25 26-40 0-25 26-40 0-25 26-40 0-5 0-5 6-10 6-10 11-15 11-15 16-20 16-20 Gliny -glina piaszczysta (gp) -glina piaszczysta pylasta (gpp) -glina lekka (gl) -glina lekka pylasta (glp) -glina średnia (gs) -glina średnia pylasta (gsp) -glina cięŜka (gc) -glina cięŜka pylasta (gcp) -glina bardzo cięŜka (gbc) 50-79 35-53 40-74 25-48 25-64 10-38 10-49 10-24 10-24 0-25 26-40 0-25 26-40 0-25 26-40 0-24 25-39 0-14 21-25 21-25 26-35 26-35 36-50 36-50 51-75 51-65 76-90 0-9 0-9 25-49 0-24 51-75 67-100 25-59 0-24 0-38 0-23 41-75 56-100 41-79 41-64 0-20 0-20 21-35 36-50 Iły -ił pylasty (ip) -ił (i) Pyły -pył piaszczysty (płp) -pył zwykły (płz) -pył gliniasty (płg) -pył ilasty (płi) GĘSTOŚĆ GLEBY Gęstość właściwa (fazy stałej) γ = Ms / Vs [g/cm3] Ms – masa próbki suchej Vs – objętość próbki suchej Wartość γ zaleŜy od składu mineralnego i zawartości próchnicy: - gleby mineralne: 2,65 – 2,80 - gleby organiczne: 1,40 – 2,00 Gęstość właściwą wyznacza się za pomocą piknometru Gęstość objętościowa w układzie naturalnym γo = M / V [g/cm3] M – masa próbki o nienaruszonej strukturze (Ms, Ms+Mw) V – objętość próbki (Vs + Vw + Vg) Gęstość γo rzeczywista – gleby wysuszonej w temp. 100°C Gęstość γo chwilowa – gleby z zawartą w niej wodą γo gleb gliniastych i ilastych – 1,00 – 1,60 g/cm3 γo gleb piaszczystych – 1,20 – 1,80 g/cm3 Gęstość gleby - wyznaczanie Gęstość objętościowa = Masa / Objętość całości Gęstość właściwa = Masa / Objętość fazy stałej Gęstość objętościowa Gęstość właściwa 1.1 - 1.9 g/cm 3 2.6 g/cm 3 Gęstość objętościowa - przykład • Masa próbki naturalnej (wilgotnej) = 50 gramów • Objętość próbki = 40 cm3 • Gęstość objętościowa = 50 g / 40 cm3 = 1.25 g/cm3 POROWATOŚĆ GLEBY Po = (Vp / V)*100% [%] Vp – objętość przestrzeni wolnych w glebie zajętych przez powietrze i wodę V – całkowita objętość gleby Porowatość ogólna gleby – ogólna objętość porów: - makropory – φ > 8,5 µm - mezopory – φ 0,2-8,5 µm - mikropory – φ < 0,2 µm - gleby piaszczyste – 35-45% - gleby gliniaste i lessy – 40-50% - iły i gleby wysoko próchnicze – 50-60% - gleby organiczne (torfy) – 80-90% Porowatość gleby zaleŜy od:
czynników wewnętrznych: skład ziarnowy, zawartość próchnicy, tekstura i struktura gleby, fauna glebowa, ilość korzeni
czynników zewnętrznych: klimat (wilgotność, temperatura), zabiegi agrotechniczne Porowatość ogólną oblicza się według wzoru: Po = (γ - γo)/γ * 100% γ – gęstość właściwa gleby γo – gęstość objętościowa gleby Lub przy uŜyciu aparatury (porometr Loebella, piknometr powietrzny Nietscha w modyfikacji Święcickiego) Porowatość gleby - obliczanie • Gęstość właściwa gleby = 2.5 g/cm3 • Gęstość objętościowa gleby = 1.2 g/cm3 • Porowatość gleby (2.5 – 1,2) / 2.5 = .52 albo inaczej 52 % powietrza i/lub wody Czyli, Ŝe 52% objętości naturalnej próbki gleby zajmuje powietrze i/lub woda, a 48% cząstki stałe. KONSYSTENCJA GLEBY W zaleŜności od stopnia uwilgotnienia gleb w odniesieniu do gleb spoistych (np. gliny, iły) wyróŜnia się trzy konsystencje: - zwarta - ma ją gleba sucha, która podczas działania na nią nacisku nie zmienia swego kształtu, a po przekroczeniu pewnej granicy ulega rozkruszeniu, - plastyczna - ma ją gleba wilgotna, która pod działaniem siły zewnętrznej odkształca się, a po ustąpieniu jej działania zachowuje nadany kształt, - płynna - ma ją gleba mokra, której pod wpływem siły zewnętrznej nie moŜna nadać kształtu, poniewaŜ rozpływa się Gleby niespoiste (np. piaski) na skutek wzrostu wilgotności stają się płynne bez przechodzenia w stan plastyczny. Wilgotność na granicach konsystencji określa się mianem granicy płynności, plastyczności i skurczu: - granica plastyczności (Lp) jest to wilgotność, przy której gleba przechodzi z konsystencji zwartej w plastyczną. - granica płynności (Ly) jest to wilgotność, przy której gleba z konsystencji plastycznej przechodzi w płynną, - granica skurczu (Ls) oznacza taką wilgotność, przy której próbka gleby w miarę dalszego suszenia przestaje zmieniać swoją objętość PLASTYCZNOŚĆ GLEBY Jest to właściwość zmiany swego kształtu pod wpływem sił zewnętrznych i zachowania nadanych kształtów po ustaniu działania tych sił.
Gleby bardzo plastyczne (gliny cięŜkie, iły)
Gleby średnio plastyczne (gliny średnie i lekkie)
Gleby mało plastyczne (piaski gliniaste i słabo gliniaste)
Gleby nie plastyczne (piaski luźne i Ŝwiry) PLASTYCZNOŚĆ GLEBY – cd. Wskaźnik plastyczności Wp = Ly - Lp Spoistość gleb spoiste mało spoiste średnio spoiste Wskaźnik plastyczności Wp < l l < Wp < 10 10 < Wp < 20 spoiste cięŜkie 20 < Wp < 30 bardzo spoiste Wp > 30 ZWIĘZŁOŚĆ GLEBY Jest to siła z jaką gleba przeciwstawia się naciskowi mechanicznemu. Miarą zwięzłości jest spójność. Zwięzłość gleby zaleŜy od: składu granulometrycznego, struktury, wilgotności, zawartości koloidów i próchnicy
Gleby zwięzłe (wytworzone z iłów i glin cięŜkich)
Gleby średnio zwięzłe (wytworzone z glin lekkich, piasków gliniastych mocnych, utworów pyłowych)
Gleby słabo zwięzłe (wytworzone z piasków gliniastych lekkich, słabo gliniastych piasków pylastych)
Gleby luźne (wytworzone ze Ŝwirów i piasków) LEPKOŚĆ GLEBY Jest to właściwość gleby w stanie wilgotnym polegająca na przyleganiu do róŜnych przedmiotów. ZaleŜy od składu granulometrycznego, wilgotności, struktury gleby i jej rodzaju. Gleba uzyskuje lepkość dopiero po osiągnięciu pewnego stanu uwilgotnienia.
Gleby pozbawione lepkości – gleby suche
Gleby o maksymalnej lepkości – zawierające max. 60% frakcji ilastej Gleby zwięzłe bezstrukturalne wykazują większą lepkość, niŜ gleby o dobrej strukturze PĘCZNIENIE I KURCZLIWOŚĆ GLEBY Pęcznienie to zwiększanie objętości gleby pod wpływem pochłaniania wody. Kurczliwość to proces odwrotny. Procesy te obserwuje się tylko w glebach zwięzłych, plastycznych. Pęcznienie gleb P = (Pmax – V) / V jest to stosunek przyrostu objętości gleby maksymalnie spęczniałej Pmax do jej początkowej objętości Kurczenie się gleb K = (V – Vmin) / V Vmin oznacza minimalna objętość gleby uzyskiwaną wówczas, gdy osiąga ona wilgotność odpowiadającą granicy skurczu PĘCZNIENIE I KURCZLIWOŚĆ GLEBY przykładowe wartości Rodzaj utworu Pęcznienie P [%] Pył ilasty 16 Glina lekka 5 Glina cięŜka 25 Ił 32 Bentonit 190 POWIERZCHNIA WŁAŚCIWA GLEBY Powierzchnia właściwa gleby jest to powierzchnia przypadająca na jednostkę jej masy, wyraŜana w metrach kwadratowych na gram Faza ciekła gleby
Woda w postaci pary wodnej
Woda molekularna - woda higroskopowa - woda błonkowata
Woda kapilarna - woda kapilarna właściwa - woda kapilarna przywierająca (zawieszona)
Woda wolna - woda infiltracyjna (przesiąkająca) - woda gruntowo-glebowa Udział głównych form wody w glebach w zaleŜności od składu granulometrycznego Utwory glebowe Forma wody Wolna Kapilarna Molekularna Gruboziarniste (Ŝwiry, piaski) Średnioziarniste (piaski gliniaste, pyły, gliny) Drobnoziarniste (gliny cięŜkie, iły) RUCH WODY W GLEBIE Przemieszczanie się wody w glebie charakteryzuje przepuszczalność wodna gleb. Określa ona ruch wody podczas:
wchłaniania wody opadowej przez glebę
przesiąkania, czyli filtracji wody gruntowej Wchłanianie następuje w dwóch etapach:
nasiąkanie gleby wodą
pionowe przesiąkanie wody wolnej (infiltracyjnej) Podczas przesiąkania (filtracji) ruch wody odbywa się głównie w kierunku poziomym i przebiega w porach w pełni nasyconych wodą. Wartości współczynnika filtracji róŜnych utworów glebowych Rodzaj utworu Współczynnik filtracji k [cm/s] świr drobny 10 – 10-1 Piasek drobnoziarnisty 10-2 – 10-3 Pył 10-4 – 10-6 Glina 10-6 – 10-8 Ił 10-9 – 10-10 CHEMIZM ROZTWORU GLEBOWEGO W roztworze glebowym występują przede wszystkim jony: H+, Na+, K+, NH4+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+, HCO3-, Cl-, NO3-, CO32-, SO42- i niektóre metale przejściowe oraz róŜne rozpuszczalne substancje organiczne i gazy: O2, CO2, CH4, N2, H2S Mineralizacja polskich wód glebowych kapilarnych = 100-3000 mg/L. Mineralizacja wody gruntowej-glebowej jest zazwyczaj znacznie niŜsza. POWIETRZE GLEBOWE POWIETRZE GLEBOWE Forma występowania w glebach Pierwiastek O dobrych stosunkach powietrznych (formy utlenione) O złych stosunkach powietrznych (formy zredukowane) Węgiel (C) CO2 CH4, C2H4 Azot (N) NO3- N2, NH3, N2O, NO2- Siarka (S) SO42- H2S, SO3 FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB ODCZYN GLEB Odczyn jest określany przez stosunek jonów wodorowych, H+, do jonów wodorotlenowych OH-, na które dysocjuje woda: H2O = H+ + OHW wodzie destylowanej [H+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3. Odpowiada to odczynowi obojętnemu. Wzrost stęŜenia jonów [H+] (spadek [OH-]) powoduje, Ŝe roztwór staje się kwaśny. Wzrost stęŜenia jonów [OH-] (spadek [H+]) powoduje, Ŝe roztwór staje się zasadowy. Odczyn gleby wyraŜa się wartością pH pH = -log [H+] roztwory kwaśne – pH < 7 roztwory obojętne – pH = 7 roztwory zasadowe – pH > 7 Zakres ph spotykany w większości gleb mineralnych ODCZYN GLEB – cd. W Polsce przewaŜają gleby o odczynie kwaśnym; gleby kwaśne i bardzo kwaśne zajmują 50% powierzchni kraju, gleby słabo kwaśne – 30%, gleby obojętne i zasadowe – 20%. KWASOWOŚĆ I ZASADOWOŚĆ GLEB Kwasowość – stan gleby, w którym jej odczyn jest kwaśny 1. Kwasowość czynna – pochodzi od jonów H+ roztworu glebowego 2. Kwasowość potencjalna – pochodzi od jonów H+ i Al3+ zaadsorbowanych przez koloidy glebowe
kwasowość wymienna – ujawnia się w glebach po potraktowaniu ich roztworami soli obojętnych - KCl
kwasowość hydrolityczna - ujawnia się w glebach po potraktowaniu ich roztworami soli hydrolizujących zasadowo – (CH3COO)2Ca KWASOWOŚĆ I ZASADOWOŚĆ GLEB – cd. Al3+ K+ + K Al3+ Gleba H+ K+ K+ + 8KCl K+ K+ H+ Gleba K+ +2AlCl3 + 2HCl K+ H+ Gleba + (CH3COO)2Ca H+ Ca2+ Gleba + 2CH3COOH BUFOROWE WŁAŚCIWOŚCI GLEBY Właściwości buforowe gleby - zdolność gleby do przeciwstawiania się zmianie odczynu SORPCYJNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB Sorpcja – powierzchnia ciała stałego (gleby) przyciąga i zatrzymuje warstwę jonów, atomów lub molekuł. Za zdolności sorpcyjne gleby odpowiada kompleks sorpcyjny zbudowany z koloidów glebowych:
minerały ilaste (smektyty, wermikulit, illit, kaolinit)
krystaliczne i amorficzne tlenki Ŝelaza i glinu
minerały bezpostaciowe
próchnica
kompleksy ilasto-próchnicze Dzięki właściwościom sorpcyjnym gleby moŜliwe jest:
regulacja w nich odczynu
magazynowanie dostarczanych w nawozach składników pokarmowych roślin
neutralizacja szkodliwych dla organizmów Ŝywych substancji, które dostają się do gleby Rodzaje sorpcji w glebie: Wymiana jonowa – jon z roztworu wymienia (zastępuje) jon z powierzchni lub struktury ciała stałego Sorpcja chemiczna – powstawanie na powierzchni gleby trwałych wiązań chemicznych (kompleksów) między sorbentem a sorbatem Sorpcja fizyczna – zagęszczanie na powierzchni cząstek gleby molekuł innych ciał (cieczy, gazów) wskutek działania sił van der Waalsa Sorpcja biologiczna – pobieranie i zatrzymywanie jonów z roztworu przez organizmy Ŝywe Przyczyną wymiany jonowej i sorpcji chemicznej są nie skompensowane ładunki elektryczne występujące na powierzchni koloidów glebowych. Źródłem tych ładunków są:
Niewysycone wiązania (wartościowości) występujące na krawędziach i zewnętrznych płaszczyznach minerałów ilastych (pakietów) oraz cząstkach próchnicy. Są to ładunki zmienne poniewaŜ ich wielkość zmienia się wraz z odczynem gleby.
Wewnątrzwarstwowa wymiana w kryształach minerałów ilastych. Są to ładunki trwałe poniewaŜ ich wielkość nie zaleŜy od pH.
Zmienne pH roztworów glebowych (pHZPC) – w przypadku koloidów glebowych z grupy wodorotlenków Fe i Al Ładunki zmienne – minerały ilaste Ładunki trwałe – minerały ilaste Ładunki zmienne – próchnica pHZPC Jednym z najwaŜniejszych rodzajów sorpcji na koloidach glebowych jest wymiana jonowa. jonowa Polega ona na tym, Ŝe jon z roztworu glebowego wymienia (zastępuje) jon z powierzchni lub struktury koloidu glebowego. Wymianie jonowej ulegają przede wszystkim kationy – sorpcja wymienna kationów (cation exchange) exchange a zdecydowanie w mniejszym stopniu aniony – sorpcja wymienna anionów (anion exchange). exchange Najczęściej spotykanymi kationami w glebach są: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+ - kationy o charakterze zasadowym H+, Al3+ - kationy o charakterze kwasowym SORPCJA WYMIENNA KATIONÓW Ca+2 Ca+2 Ca+2 K + Ca+2 Mg+2 Ca+2 K+ Mg+2 Al+3 Ca+2 - - - Kationy wymienne Ca+2 K - H+ O +2 Mg L O + K + H I D - Al+3 --- Ca+2 H+ Al+3 Mg+2 K+ Ca+2 H+ Miarą pojemności wymiany kationów (CEC) i anionów (AEC) jest mM/kg Inne, stosowane, jednostki pojemności wymiany jonów: cmol(+)/kg = 0,01 M/kg = 10mM/kg mval/kg = mM/kg××wartościowość pierwiastka Rozmiary wymiany kationów w glebie zaleŜą od:
składu mineralnego sorbentu i wielkości jego ziaren,
rodzaju sorbowanego kationu i jego stęŜenia,
rodzaju towarzyszącego anionu,
pH roztworu,
temperatury, Wpływ składu mineralnego gleby na wielkość jej pojemności sorpcyjnej Pojemność sorpcyjna niektórych składników gleb [cmol(+)/kg] Składnik kaolinit haloizyt montmorillonit wermikulit illit CEC 3-15 5-10 80-120 100-200 20-50 Składnik chloryt alofan uwod. tl. Fe i Al próchnica CEC 10-40 100 4 150-250 Wpływ rodzaju kationu na sorpcję wymienną zaleŜy od wartościowości, wielkości i stopnia uwodnienia kationów Wraz ze wzrostem wartościowości kationów wzrasta ich zdolność wymienna. Generalnie zgodnie ze schematem: Li+ < Na+ < NH4+ = K+ < Mg2+ < Ca2+ < Al3+ < Fe3+ < H+ Zdolność wymienna jonów o tej samej wartościowości zaleŜy od wielkości ich średnic. Kation tym chętniej wchodzi do kompleksu sorpcyjnego, im większa jest jego średnica. Im większa jest średnica jonów, tym słabsze jest pole elektryczne przez nie wytwarzane - mniejszy stopień ich uwodnienia. uwodnienia Wraz ze wzrostem średnicy jonów uwodnionych mniej chętnie wchodzą one do kompleksu sorpcyjnego gleby. Wpływ rodzaju towarzyszącego anionu na wielkość wymiany kationu Sorpcja niektórych kationów wielowartościowych moŜe zaleŜeć od rodzaju towarzyszących anionów. Kationy te zachowują się jak jednowartościowe, przy czym nadmiar ładunku jest neutralizowany przez towarzyszące aniony, takie jak: OH-, Cl- i NO3-. W ten sposób są sorbowane kationy: CuCl+, ZnCl+, FeOH2+, Fe(OH)2 i Al(OH2)2+. Wpływ pH na wielkość sorpcji Cr(III) 100 Sorpcja Cr(III) [%] 90 80 70 60 50 40 hydroliza Cr(III) darniowa ruda Ŝelaza torf iłowiec smektytowy 30 20 iłowiec smektyt.-zeolitowy kaolin szlamowany popiół lotny 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 pH 8 9 10 11 12 Pojemność sorpcyjną gleby (CEC) oblicza się wyznaczając sumę kationów metali o charakterze zasadowym (Ca, Mg, Na, K) i jonów wodoru znajdujących się w kompleksie sorpcyjnym gleby. Dokonuje się tego poprzez potraktowanie próbki gleby roztworem zawierającym 1M NH4+ i oznaczenie w roztworze po reakcji zawartości Ca, Mg, Na i K oraz pH, które jest miarą zawartości jonów H+. Wyznaczona w ten sposób wartość CEC nazywana jest pojemnością całkowitą. całkowitą Pojemność potencjalną wyznacza się traktując próbkę na przykład roztworem zawierającym 1M Mg2+ w celu wysycenia wszystkich potencjalnych pozycji wymiennych a następnie desorbuje się magnez roztworem zawierającym 1M Ba2+ lub 1M NH4+. Przykłady wartości CEC Bielica 50 mM / kg Gleba brunatna 120 mM / kg Rędzina 240 mM / kg