Właściwości Chemiczne Gleb

Transcript

Udział pioerwiastków wchodzących chemicznych Udział pierwiastków chemicznych wchodzących w w skład gleb skład gleb Ca Mg K H Na tlen krzem Fe glin zelazo Al O wapń sód magnez Si potas wodór inne Rośliny lądowe, Zwierzęta roślinożerne glony wodne Fotosynteza Rozkładające się resztki, substancja organiczna gleby, osady morskie, komórki mikroorganizmów asymilacja przez bakterie autotroficzne Mineralizacja mikroorganizmy CO2 Obieg węgla w przyrodzie Oddychanie zwierząt Zawartość węgla w glebach Polski Gleby bielicowe 0,3-0,9% Gleby płowe 0,5-1,3% Gleby brunatne 0,8-1,4% Czarnoziemy 1,4-2,0% Czarne ziemie 1,0-2,6% Rędziny 1,1-3,2% Mady rzeczne 0,6-2,2% Sposoby regulowania zawartości węgla w glebach • stosowanie odpowiednich płodozmianów z udziałem traw i roślin motylkowych • stosowanie oborników i kompostów • glinowanie i iłowanie gleb, głębokie orki melioracyjne Azot w glebie Azot występuje w glebie zarówno w formie organicznej, jak i mineralnej, przy czym zdecydowanie dominują połączenia organiczne, które mogą stanowić do 99% całkowitej zawartości azotu. Całkowita ilość N w warstwie ornej większości gleb na ogół waha się w granicach od 0.02 do 0.4%. W glebach organicznych (torfowych) zawartość N jest wielokrotnie wyższa i wynosi do 3.5%. – Głównym źródłem azotu w glebie są resztki roślinne. Azot występuje w formach organicznych reprezentowanych przez: - swoiste związki próchniczne - aminokwasy - aminocukry - kwasy nukleinowe – Ponadto niewielkie ilości azotu występują w glebie w postaci – glicerofosforanów, amin, – witamin i pestycydów oraz produktów ich rozkładu. Wiązanie azotu Symbiontyczne Nawozy mineralne Niesymbiontyczne Resztki roślinne i obornik Przyswajalny azot glebowy Atmosfera Substancja organiczna gleby Pobieranie przez rośliny Rysunek Straty przez wymywanie Straty przez erozję Przychody i straty przyswajalnego azotu glebowego (wg. Buckmana i Bradego) Transformacja NO3- i NH4+ w glebie Fosfor w glebie – Fosfor w glebie może występować w związkach organicznych jak i mineralnych. – Związki organiczne fosforu to przede wszystkim: • fityna 2 - 50% P-org., • fosfolipidy 1 - 5% P-org., • kwasy nukleinowe 0,2 - 2,5% P-org. – Związki mineralne występują w formie fosforanów wapnia, żelaza i glinu. – Formy organiczne fosforu stanowią od 15% do 80% całkowitej zawartości tego pierwiastka w glebie. – Zawartość P organicznego zależy od rodzaju gleby i jej składu. Większe jego ilości występują w torfach i glebach leśnych. • – Ogólna zawartość fosforu (P całk.) w warstwie ornej większości wynosi 0,03 - 0,15%. Rośliny pobierają fosfor prawie wyłącznie w formie jonów H2PO4- i HPO42-, z wyraźną preferencją tych pierwszych. Nawozy mineralne Resztki roślinne i obornik Substancja organiczna gleby Pobieranie przez rośliny Fosfor związany przez minerały glebowe Przyswajalny fosfor glebowy Straty przez wymywanie Straty przez erozję Wiązanie Rysunek Przychody i straty przyswajalnego fosforu glebowego (wg. Buckmana i Bradego) Żelazo w glebie • Żelazo - występuje w glebach w dużych ilościach, w różnych związkach nieorganicznych i organicznych. Uwodnione tlenki żelaza zwiększają zwięzłość gleby. Związki żelaza (III) nadają glebie barwę żółtą, brunatną lub czerwoną, żelaza (II) - barwy szarozielonkawe. • Pełni różne funkcje w procesach fizjologicznych roślin. Wpływa na rozwój chloroplastów, procesy oddychania i podział komórek. Metale ciężkie mogą blokować metabolizm żelaza, natomiast żelazo może blokować pobieranie i transport innych składników (np. fosforu). Niedobór żelaza powoduje chlorozę. Nadmiar żelaza działa toksycznie na rośliny poprzez interakcje z innymi składnikami. Tworzenie się wytrąceń przykorzeniowych Strefa koncentracji Fe+++ Stary kanał korzeniowy Strefa koncentracji Fe++ Powstawanie wytrąceń żelazistych na powierzchni agregatów glebowych oraz w strefie przykorzeniowej Fig. Vepraskas 1995 wytrącenie żelaza w postaci orsztynu Nagromadzenia twarde związków żelaza w postaci sferoidalnej Nodule i ich koncentracja • Nagromadzenia twarde – często o charakterze reliktowym Wytrącenia żelaziste w poziomie torfowym Formy wytrąceń Fe, Mn wskaźnik - Dipyridyl • Terenowy test na obecność zredukowanej formy • żelaza Oglejenie plamiste i zaciekowe Oglejenie marmurkowate • widoczne szare i zielonkawo szare plamy w materiale ilastym Wytrącenia żelaziste w glebie piaszczystej Oglejenie całkowite gleby • Barwa gleby zmienia się po jej natlenieniu – Fe+2 – Fe+3 Oglejenie całkowite w glebie zabagnianej Oglejenie marmurkowate (formy redukcyjne i oksydacyjne) Miedź w glebie • • • • • • • Miedź jej zawartość ogółem w glebach wynosi od 1 do 100 mg w 1 kg gleby. Najuboższe w miedź są gleby lekkie. Największy niedobór miedzi stwierdza się w glebach bielicowych i torfowych. Na przyswajalność miedzi wpływa: zawartość materii organicznej w glebie; im więcej materii organicznej, tym gorsza jest przyswajalność miedzi, odczyn gleby; im większe jest zakwaszenie gleby, tym przyswajalność miedzi jest lepsza, ale wzrasta także tempo jej wymywania. Zubożenie gleb w Polsce w miedź, pomimo że jest to mikroelement mało ruchliwy, przebiega szybko. W wielu rejonach kraju, szczególnie w Wielkopolsce, na Kujawach i w województwach wschodnich, występują niedobory miedzi, ograniczające coraz bardziej plonowanie roślin, w tym głównie zbóż. Cynk w glebie • • • • • Cynk w glebach występuje w postaci jonów związanych przez minerały glebowe i substancję organiczną. Rozpuszczalność cynku wzrasta w miarę wzrostu kwasowości gleby. Deficyt cynku może powstać w glebach bogatych w fosforany, na glebach alkalicznych i silnie wapnowanych. Zawartość cynku ogółem w glebach wynosi od 10 do ponad 200 mg w 1 kg gleby. Znaczna część tego pierwiastka występuje w warstwie ornej. Cynk, podobnie jak miedź, jest pierwiastkiem mało ruchliwym w glebie. Nie stwierdza się zależności pomiędzy składem mechanicznym gleby a zawartością w niej cynku. Na przyswajalność cynku wpływa: odczyn gleby; im gleba jest bardziej kwaśna, tym lepsza przyswajalność, ale również zwiększa się możliwość wymywania cynku, zawartość materii organicznej w glebie - w glebach organicznych i cięższych mineralnych przyswajalność cynku jest niższa, zawartość fosforu; pobieranie cynku przez rośliny ograniczone jest w przypadku bardzo dużych zawartości fosforu w glebie. Mangan w glebie • • • • • Mangan występuje w glebie w dużych ilościach. Tylko niewielka część manganu dostępna jest dla roślin. Mangan występuje w roztworach glebowych, oraz jest zasorbowany w kompleksie sorpcyjnym. Nadmiar manganu w glebie może powodować blokowanie pobierania potasu. Zawartość manganu w glebach wynosi od 20 do 5 000 mg w 1 kg gleby. Zawartość przyswajalnych form manganu i jego dostępność dla roślin uzależniona jest od takich czynników jak: odczyn gleby; im gleba jest bardziej kwaśna, tym związki manganu są bardziej rozpuszczalne i łatwiej dostępne. W glebach bardzo kwaśnych koncentracja przyswajalnego manganu może być nawet toksyczna dla roślin. Wapnowanie ogranicza przyswajalność manganu oraz wymywanie go w głębsze warstwy gleby; uwilgotnienie gleby; w glebach dobrze uwilgotnionych zawartość manganu przyswajalnego jest wysoka, a w glebach suchych występują częściej objawy niedoboru. nawożenie organiczne oraz materia organiczna gleby ograniczają dostępność manganu dla roślin. Mimo że zasobność gleb Polski w przyswajalny mangan nie jest zła w porównaniu z innymi mikroelementami, to proces zubożenia gleb, głównie na skutek ich zakwaszenia przebiega szybko. Molibden w glebie • Molibden występuje w glebach w znacznie mniejszych ilościach niż wcześniej omawiane mikroelementy, bo od 0,1 do 5 mg w 1 kg gleby. Z reguły im gleba jest cięższa, tym zasobniejsza w ten pierwiastek. Większe ilości molibdenu zawierają gleby wapienne i bagienne. Na przyswajalność molibdenu wpływają: • odczyn gleby; im gleba jest bardziej kwaśna, tym gorsza przyswajalność molibdenu, • wapnowanie gleb i nawożenie fosforem zwiększają przyswajalność tego mikroelementu, • wysokie temperatury i susze letnie ograniczają przyswajalność molibdenu. • Wykonane analizy wskazują, że zasobność gleb w molibden nie ulega w Polsce obniżeniu. Bor w glebie • • • • • • Bor - występuje w minerałach zawierających borokrzemiany. Szczególnie duże ilości boru zawierają młode gleby wytworzone z osadów morskich. Bor może występować zarówno w roztworach glebowych, jak i w kompleksie sorpcyjnym, tworząc związki niedostępne dla roślin. Zawartość boru ogółem w glebach waha się od 4 do 100 mg w 1 kg gleby. Gleby cięższe i organiczne lepiej sorbują (zatrzymują) bor i dlatego z reguły są zasobniejsze w ten składnik. Bor jest mikroelementem, którego przyswajalność dla roślin warunkują następujące czynniki: odczyn gleby; bor jest lepiej pobierany w glebach kwaśnych i lekko kwaśnych, wapnowanie gleb zmniejsza przyswajalność boru, zawartość materii organicznej w glebie (próchnicy), która może być bezpieczną rezerwą boru w glebie, wilgotność gleby; w miarę wzrostu uwilgotnienia gleby wzrasta przyswajalność boru. Zawartość boru w glebach Polski jest bardzo niska. Charakterystyka związków próchnicznych gleb Formy próchnicy glebowej mor moder mull Substancje nieswoiste: węglowodany, białka, tłuszczowce, węglowodory i ich pochodne, substancje garbnikowe, woski i smoły Substancje swoiste: kwasy humusowe, kwasy fulwowe, huminy i ulminy W procesach rozkładu materii organicznej wyróżnia się dwa zasadnicze kierunki: -mineralizacja CO2, H2O, NH3, SO4-2, HPO4-2, NO3-humifikacja tworzenie się związków próchnicznych -Proces humifikacji zachodzi w 3 fazach: -Faza inicjalna (procesy hydrolizy i utleniania) -Faza mechanicznego rozkładu (rozdrabnianie materiału organicznego) -Faza mikrobiologicznego rozkładu (enzymatyczny rozkład związków organicznych Typy próchnicy wg. Kononowej KH/KF<1 – gleby płowe, bielicowe, laterytowe pod lasami KH/KF>1 – czarnoziemy, rędziny, czarne ziemie, gleby brunatne KH/KF<1- gleby terenów półpustynnych Lignina Jednostki strukturalne ligniny (jednostki fenylopropanowe) Pozostałość po rozkładzie ligniny Modyfikacje: -demetylacja - utlenianie Dalsza utylizacja Przez mikroorganizmy - kondensacja ze związkami azotowymi kwas huminowy fragmentacja Teoria ligninowa schemat (Waksman 1932) kwas fulwowy Cukry + związki azotowe N – glukozoamina N - aminodezoksykeloza dehydratacja fragmentacja Produkty fragmentacji (acetol, duacetyl) furfurale związki azotowe związki azotowe Brązowe polimery azotowe Teoria cukrowo – białkowej kondensacji (Stevenson 1982) Lignina Celuloza rozkład przez mikroorganizmy Rozkład przez Fenolowe aldehydy i kwasy mikroorganizmy Polifenole enzymy oksydazy fenolowej Dalszy rozkład Przez mikroorganizmy i utlenianie do CO2 Chinony związki azotowe kwasy huminowe Teoria polifenoli – schemat (Stevenson 1982) kwasy fulwowe Powstawaniu próchnicy glebowej sprzyjają: - odczyn środowiska zbliżony do obojętnego - umiarkowane uwilgotnienie i temperatura - obecność Ca, Fe i substancji ilastej - duża zawartość białka w materiale humifikowanym - bogata fauna glebowa Znaczenie próchnicy glebowej • tworzenie się korzystnej struktury • zwiększa pojemność wodną gleb • nadaje glebie ciemnoszare lub czarne zabarwienie • zwiększa pojemność sorpcyjną gleb • reguluje stężenie roztworu glebowego • zwiększa zdolności buforowe gleb • są poważnym źródłem związków węgla i azotu • ułatwiają uruchamianie związków mineralnych ze skał • ułatwia pobieranie składników pokarmowych przez rośliny szczególnie przy niskim odczynie gleby • zapobiega rozprzestrzenianiu się w glebie substancji toksycznych i przyspiesza ich rozkład • poprawia aktywność biologiczną gleb • stymulujące działanie na procesy fotosyntezy, oddychania i aktywność enzymatyczną Sorpcja chemiczna - polega na unieruchamianiu związków rozpuszczalnych i zabezpieczania ich przed wymywaniwem z gleby. Podlegają jej głównie rozpuszczalne formy węglanów, siarczanów, fosforanów: Ca(HCO3)2 + CaH4(PO4)2 = Ca2H2(PO4) + 2H2SO3 Podobnie powstają nierozpuszczalne siarczany i węglany: Ca(HCO3)2 + MgSO4 = Mg(HCO3)2 + CaSO4 Sorpcja biologiczna - polega na gromadzeniu różnych związków mineralnych poprzez wbudowywanie ich w materię organiczną Szczególnie sorbowane są w ten sposób azot, fosfor, potas, siarka Sorpcja mechaniczna - polega na zatrzymywaniu w drobnych porach glebowych cząstek organicznych i mineralnych których średnica jest większa od średnicy tych por. Dzięki tego rodzaji sorpcji w glebie mogą powstawać warstwy nieprzepuszczalne. Sorpcja fizyczna - jest to zdolność fazy stałej gleby do zatrzymywania na swojej powierzchni gazów, par, molekół i mikroorganizmów. Zależy ona od napięcia powierzchniowego i całkowitej powierzchni sorbentów. Jest ona wywołana dążeniem do zmniejszenia stanu energii powierzchniowej przez ciała wykazujące wysoki stopień dyspersji. Może być dodatnia lub ujemna. Sorpcja dodatnia polega na przyciąganiu na przyciąganiu przez cząstki glebowe substancji powodujących zmniejszenie napięcia powierzchnioowego (np. kwasy organiczne, alkaloidy, barwniki). Sorpcja ujemna - polega na odpychaniu przez cząstki glebowe substancji powodujących zwiększenie napięcia powierzchniowego (np. kwasy nieorganiczne, sole, cukry) sorpcja fizyczna prowadzi do powstawania różnych stężeń roztworów co ułatwia pobieranie składników przez rośliny, a także powoduje wymianę gazów pomiędzy glebą a powietrzem atmosferycznym. Pojemność sorpcyjna gleby Pojemność sorbcyjna oznacza sumaryczną ilość wszystkich kationów lub anionów, które mogą być zasorbowane przez określoną masę gleby. T = S + Hh [cmol(+)/kg] gdzie: T- pojemność sorpcyjna gleby, S - suma kationów zasadowych, Hh suma kationów o charakterze kwaśnym Vh = S/T * 100 [%] gdzie: Vh - stopień wysycenia gleb kationami zasadowymi gleby bielicowe i bielice płowe i glejowe gleby brunatne kwaśne gleby brunatne właściwe czarnoziemy mady redziny 5-20% 20-50% 30-50% >50% >50% >50% 90-100% Kształtowanie się odczynu gleb Polski (wg Uggli) silnie kwaśne -bielice -bielicowe -torfowe torfowisk wysokich -glejowomurszowe <4,5 kwaśne 5,5 -bielicowe -rdzawe -brunatne kwaśne -płowe -torfowe torfowisk niskich -glejowe słabo kwaśne -czarnoziemy -brunatne właściwe i wyługowane -płowe -torfowe torfowisk niskich -gleby deluwialne 6,6 obojętne 7,27 zasadowe >7,2 , 2 -czarnoziemy -brunatne właściwe -mady -mułowo-gytiowe -deluwialne -rędziny -gleby słone Proces brunatnienia Polega na koagulacji koloidów żelaza i glinu i tworzeniu wokół ziaren glebowych otoczek żelaza i glinu. Tworz się brunatnej barwy poziom zwany poziomem bruntnienia Proces przemywania (lessives) Polega na przemieszczaniu się w głąb profilu drobnych cząstek ilastych w wyniku przemywania. Zjawisku temu towarzyszy słabo kwaśny odczyn środowiska. Podczas wymywania cząstek iłu koloidalnego możę przemiaszczać się w postaci helatu substancja organiczna. Obecność tego procesu można stwierdzić na podstawie otoczek ilastych na powierzchni agregatów glebowych. Proces charakterystyczny dla gleby płowej Proces bielicowania Proces bielicowania zachodzi w glebach lekkich ubogich w wapń, pod roślinnością borową, w warunkach silnie kwaśnego odczynu i okresowej anaerobiozy. Decydującą rolę odgrywa substancja organiczna. Polega on na przemieszczaniu się na drodze chemicznej związków próchnicznych, żelaza oraz produktów wietrzenia minerałów pierwotnych, a następnie wytrącaniu ich w postaci poziomów iluwialnych. Proces ten jest charakterystyczny dla gleb bielicowych i bielic Proces glejowy Polega na redukcji zwiazków żelaza Fe+++ do Fe++ przy silnym ograniczeniu dostępu tlenu i udziale bakterii beztlenowych. Wiąże się to ze zmianą zabarwienia z zółtobrunatnego na szarozielonkawe lub szaroniebieskawe. Intensywność zabarwienia zależy od wartości pH środowiska. Obserwowane w glebie oglejenie może pochodzić od stagnujących wód opadowych oglejenie odgórne, lub od wysokiego poziomu wód gruntowych - oglejenie oddolne. Procesy zasolenia gleb Są charakterystyczne dla krajów o klimacie suchym i półsuchym, gdzie parowanie wody przewyższa opady. Stały podsiąk roztworów bogatych w związki wapnia, magnezu i sodu powoduje ich wytrącanie się w powierzchniowych poziomach glebowych. Na powierzchni gleby często obserwuje się wykwity lub skorupy różnych soli. Powstające gleby nazywane są sołączakami, sołońcami lub sołodziami. Proces torfotwórczy Zachodzi w warunkach prawie beztlenowych, gdzie bilans wodny jest dodatni, przy udziale rośliności bagiennej (mchy brunatne, mchy torfowców, turzyce, trawy, roślinność szuwarowa, roślinność drzewiasta). Polega na częściowej humifikacji materii organicznej obumarłych szczątków roślinnych. Z czasem szczątkli te w warunkach beztlenowych nieulegają dalszym przemianom lub w warunkach tlenowych podlegają procesowi murszowemu. Proces murszotwórczy- polega na zmianie natury fizycznej i chemicznej torfu w wyniku jego przesuszenia. W procesie tym następuje dehydratacja koloidów organicznych i przechodzenie ich ze stanu zolu w żel. Tworzący się mursz nabiera cech hydrofobowych i przyjmuje strukturę agregatową. Ze zmianami właściwości fizycznych idą w parze zmiany właściwości chemicznych. Zmiany te prowadzą z czasem do dużych strat materii organicznej oraz składników pokarmowych dla roślin. Proces mułotwórczy - zachodzi na obszarach płytkich lub głębokich zbiorników wodnych, otwartych lub zamkniętych, a także zagłębieniach trwale lub okresowo zalewanych. Powstające muły tworzą się z opadających, silnie zhumifikowanych cząstek organicznych. Szczątki te zawierają mniejsze lub większe domieszki części mineralnych. Proces namulania - polega na tworzeniu się w wyniku osadzania cząstek mineralnych w czasie wylewów rzek namułów zwanych aluwiami. Namuły osadzane u podnóża stoków górskich noszą nazwę deluwiów.