FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB

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