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 >30mm 30-8,5 8,5-4 4-0,2 <0,2 Woda Woda Woda woda Wodagrawitacyjna kapilarna kapilarna kapilarna higroskopowa

błonkowata chem.związ. (odcieka) (woda łatwo dostępna) (trudno dostępna) (niedostępna)

pF =

0

pF =

2,0

pF =

2,9

(3,0

)

pF =

4,2

Efektywna retencja użyteczna ERU

Potencjalna retencja użyteczna PRU

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 makroporówPróbka gleby została ustabilizowana przez impregnację, pokrojonana 120 plasterków (co 0.1mm), które zostały sfotografowane. Obrazy zostały zeskanowane i przetworzone cyfrowo z rozdzielczością 0.12 mm. Na tej podstawie, w każdym plasterkuzidentyfikowano położenie makroporów. Następnie ze 120 plasterków odtworzono przestrzenną strukturę makroporów

Widoczne są poziome i pionowe długie korytarze wytworzone przezróżnego rozmiaru robaki, a także najdrobniejsze pory wytworzoneprzez najmniejsze korzenie roślin.

Cousin, 1996

Zależność między właściwościami wodnymi gleb a ich składem mechanicznym wg Brady’ego

piasek glina piaszczysta

glina pył glina ilasta

ił

30

24

18

12

6,0

0,0

proc

ent w

ody

cm w

ody/

met

r gle

by

37,5

30,0

22,5

15,0

7,5

0

Woda kapilarna łatwo i trudno dostępna

Woda higroskopowa, niedostępna

Woda wolna

współczynnik więdnięcia

PPW

Pojemność wodna glebPełna 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

010 20 30 40 50 60 70 80 90

20

30

40

50

Maksymalne dopuszczalne stany uwilgotnienia glebDopuszczalne maksimum uwilgotnienia jest zależne:- rodzaju rośliny- fazy wegetacji- rodzaju gleby- właściwości wody i jej ruchliwościO dopuszczalnym maksymalnym uwilgotnieniu decyduje

nie absolutna ilość wody, lecz ilość powietrza w glebiewg 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

020 40 % obj. gleby

100

200

Zawartość powietrza w glebie

Zwierciadło wody gruntowej

Potencjał wody glebowej

Ψc = Ψm+ Ψp+ Ψo+ Ψg [J kg-1] [J m-3 = N m-2] [J mol-1]

Ψm – składowa związana ze zmianami wilgotności gleby, tzw potencjał matrycowy,

składowa ta decyduje o występowaniu różnych postaci wody w glebie od wody molekularnej dla małych wilgotności poprzez wodę błonkowatą i kapilarną do wody wolnej- dla 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

O dostępności wody do systemu korzeniowego roślin decydują siły wiązania wody w roztworze glebowym czyli stan energetyczny wody wyrażony przez potencjał termodynamiczny

Potencjały wiążące różne formy wody w glebach wg Schroeder

( )[ ]{ }2lnexp)( hshs s −−= µθθ

O(hs) wyraża empiryczną charakterystykę – krzywa retencji wodnej gleb

(hs wyrażamy lg10 I hs I = pF )

Równanie określające kształt krzywej

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

ο %

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

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 6789 – 11 247 hPaPszenica jara 5370 - 8207Żyto 9727 – 14 489Jęczmień 9727Kukurydza 16 212 – 27 358Koniczyna czerwona 12 868 – 16 212Buraki cukrowe 8513Rzepak ozimy 8513Słonecznik 14 489

Czujnik ciśnienia 143PC15D1 (15 psi – 1 bar) firmy Honeywell

Tensjometry elektroniczne i urządzenie - czytnik

Tensjometry z manometrami

Składa się:ceramicznego sączka z

drobnymi porami , Przezroczystej rurki z tworzywa sztucznego (do pracy musi być

napełniona wodą) ,wakuometru z skalą ,

Uszczelek

TDR

S

1

2

3

4 5 67

8

10

9

12

1315

14

11

Układ pomiarowyźródło 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.

TDR1

2

3

4 5 6

7

8

9

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.

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 - 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 [-].

( )mnrs

rh⋅+

Θ−Θ+Θ=Θα1

do wyznaczenia parametrów Θs, α, n, m występujących w równaniu van Genuchtena można posłużyć się funkcjami zaproponowanymi przez Wöstena

( )StopsoilOM

CCOMSSCOM

SC

b

b

bs

⋅⋅−⋅⋅−⋅⋅−⋅⋅−⋅+

⋅+⋅+⋅+

⋅−⋅−⋅+=Θ−−

0.00016640.0011830.0006190.0000733ln0.01472

0.011130.024270.000082110.000001490.296190.0016910.7919

112

2

ρρ

ρ

( )( )

CtopsoilOMSOM

SOMOM

Ctopsoil

OMSC

bb

bb

⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅−⋅+

⋅+⋅+⋅−

⋅−⋅−⋅−⋅

+⋅+⋅+⋅+−=

−

0.006730.48520.04546ln0.1482

ln0.06630.04490.00687

0.0007814.6710.19215.29

0.6460.03510.0313514.96*

12

22

ρρ

ρρ

α

∗

= αα exp

( ) ( ) ( )CtopsoilOMC

OMSOMS

OMC

OMSCn

bb

b

b

bb

∗∗+⋅⋅+⋅⋅−⋅−⋅−⋅−

⋅−⋅−⋅−

⋅+⋅+⋅−⋅+

⋅−⋅+⋅−−=

−−−

0.007180.08960.02264ln44.6ln0.0709ln0.2876

0.019580.152412.81

0.0028850.00036587.2445.5

0.19400.00740.0219525.23*

111

222

ρρρ

ρ

ρρ

∗

= nn expn

m 11−=

C – udział frakcji <0.002 mm [%],S – udział frakcji 0.002 mm - 0.5 mm [%],

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

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 glebowo-gruntowej 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)

parametrem opisującym ruch wody w strefie nienasyconej gleby jest przewodnictwo wodne K(h), które jest opisane równaniem zaproponowanym przez van Genuchtena i Mualema

( )[ ]

[ ] ( )2

21

1

1+⋅

−

⋅+

⋅−⋅+

⋅= lmn

nmn

sh

hhKhK

α

αα

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

-1.50

-1.25

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

Głę

boko

ść [m

]

Ks θ r α n l OM ρ b

44.5 0

θ s

0.36 0.0082 1.2542 -1.34 1.5 1.65

8.4 0 0.35 0.0080 1.2496 -1.22 13.05 65.45 0.9 1.68

18.8 0 0.39 0.0127 1.2461 -1.11 17.02 63.94 0.4 1.60

8.4 0 0.37 0.0142 1.1958 -1.82 0.3 1.63

pozi

ompr

óchn

iczn

y

podeszwapłużna

war

stw

a po

dgle

bia

podg

lebi

e o

duże

j gęs

tośc

ii m

ałej

prz

epus

zcza

lnoś

ci

12.20

C S

65.80

21.60 58.20

cm/d - - 1/cm - - % % % g/cm3

Ks – współczynnik filtracji

Θr – wilgotność resztkowa

Θs – wilgotność przy stanie pełnego nasycenia

α – parametr kształtu [cm-1]

n - parametr empiryczny

I (zamiast K(h)

C – udział frakcji <0,002 mm [%]

S – 0,002 – 0,5 mm [%]

OM – udział substancji organicznej [%]

ρb – gestość objętościowa gleby