Prezentacja 3

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
Woda
kapilarna
Woda
kapilarna
(woda łatwo dostępna)
4-0,2
<0,2
woda
Woda
kapilarna
higroskopowa
błonkowata
chem.związ.
(trudno dostępna) (niedostępna)
pF = 2,9
pF = 2,0
pF = 0
(odcieka)
8,5-4
Efektywna retencja użyteczna ERU
Potencjalna retencja użyteczna PRU
pF = 4,2
Woda
grawitacyjna
30-8,5
(3,0)
>30mm
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 makroporów
Próbka gleby została ustabilizowana przez impregnację, pokrojona
na 120 plasterków (co 0.1mm), które zostały sfotografowane.
Obrazy zostały zeskanowane i przetworzone cyfrowo
z rozdzielczością 0.12 mm. Na tej podstawie, w każdym plasterku
zidentyfikowano położenie makroporów. Następnie ze 120
plasterków odtworzono przestrzenną strukturę makroporów
Widoczne są poziome i pionowe długie korytarze wytworzone przez
różnego rozmiaru robaki, a także najdrobniejsze pory wytworzone
przez najmniejsze korzenie roślin.
Cousin, 1996
Zależność między właściwościami wodnymi gleb a
ich składem mechanicznym wg Brady’ego
30
37,5
Woda wolna
PPW
30,0
procent wody
18
współczynnik
więdnięcia
22,5
12
15,0
Woda higroskopowa,
niedostępna
6,0
0,0
7,5
piasek
glina
piaszczysta
glina
pył
glina
ilasta
0
ił
cm wody/metr gleby
Woda kapilarna łatwo i
trudno dostępna
24
Pojemność wodna gleb
Pełna 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
50
40
30
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Maksymalne dopuszczalne stany uwilgotnienia gleb
Dopuszczalne maksimum uwilgotnienia jest zależne:
- rodzaju rośliny
- fazy wegetacji
- rodzaju gleby
- właściwości wody i jej ruchliwości
O dopuszczalnym maksymalnym uwilgotnieniu decyduje
nie absolutna ilość wody, lecz ilość powietrza w glebie
wg 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
200
100
Zwierciadło
wody
gruntowej
0
Zawartość
powietrza w
glebie
20
40 % obj. gleby
Potencjał wody glebowej
O dostępności wody do systemu
korzeniowego roślin decydują siły wiązania
wody w roztworze glebowym czyli stan
energetyczny wody wyrażony przez
potencjał termodynamiczny
Ψc = Ψm+ Ψp+ Ψo+ Ψg [J kg ] [J m = N m ] [J mol ]
Ψm – składowa związana ze zmianami wilgotności gleby, tzw potencjał matrycowy,
-1
-3
-2
-1
składowa ta decyduje o występowaniu różnych postaci wody w glebie od wody
molekularnej dla małych wilgotności poprzez wodę błonkowatą i kapilarną do wody wolnejdla 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
Potencjały wiążące różne formy wody w glebach
wg Schroeder
O(hs) wyraża empiryczną
charakterystykę – krzywa retencji
wodnej gleb
(hs wyrażamy lg10 I hs I = pF )
Równanie określające kształt krzywej
{
θ (hs) = θ s exp − µ [ ln ( − hs ) ]
2
}
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
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
ο%
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
Pszenica jara
Żyto
Jęczmień
Kukurydza
Koniczyna czerwona
Buraki cukrowe
Rzepak ozimy
Słonecznik
6789 – 11 247 hPa
5370 - 8207
9727 – 14 489
9727
16 212 – 27 358
12 868 – 16 212
8513
8513
14 489
Czujnik ciśnienia 143PC15D1 (15 psi – 1 bar) firmy Honeywell
Składa się:
ceramicznego sączka z
drobnymi porami ,
Przezroczystej rurki z tworzywa
sztucznego (do pracy musi być
napełniona wodą) ,
wakuometru z skalą ,
Uszczelek
Tensjometry elektroniczne i urządzenie czytnik
Tensjometry z manometrami
7
4
5
6
S
TDR
1
3
8
2
10
14
9
11
13
15
12
Układ pomiarowy
źródło 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.
4
5
6
TDR
1
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.
3
2
7
8
9
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 = Θr +
Θs− Θ
r
(1 + α ⋅ h )
n m
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 [-].
do wyznaczenia parametrów Θs, α, n, m
występujących w równaniu van Genuchtena
można posłużyć się funkcjami zaproponowanymi
przez Wöstena
Θ
s
= 0.7919 + 0.001691 ⋅ C − 0.29619 ⋅ ρ b − 0.00000149 1 ⋅ S 2
−1
−1
α * = − 14.96 + 0.03135 ⋅ C + 0.0351 ⋅ S + 0.646 ⋅ OM +
+ 0.0000821 ⋅ OM + 0.02427 ⋅ C + 0.01113 ⋅ S
+ 0.01472 ⋅ ln( S ) − 0.0000733 ⋅ OM ⋅ C − 0.000619 ⋅ ρ b ⋅ C
15.29 ⋅ ρ b − 0.192 ⋅ topsoil − 4.671 ⋅ ρ b − 0.000781 ⋅ C 2
− 0.001183 ⋅ ρ b ⋅ OM − 0.0001664 ⋅ topsoil ⋅ S
+ 0.1482 ⋅ ln(OM ) − 0.04546 ⋅ ρ b ⋅ S − 0.4852 ⋅ ρ b ⋅ OM
2
2
− 0.00687 ⋅ OM 2 + 0.0449 ⋅ OM − 1 + 0.0663 ⋅ ln( S )
+ 0.00673 ⋅ topsoil ⋅ C
α = exp
α
∗
n = exp n
∗
m = 1−
1
n
n * = − 25.23 − 0.02195 ⋅ C + 0.0074 ⋅ S − 0.1940 ⋅ OM
2
+ 45.5 ⋅ ρ b − 7.24 ⋅ ρ b + 0.0003658 ⋅ C 2 + 0.002885 ⋅ OM 2
−1
− 12.81 ⋅ ρ b − 0.1524 ⋅ S − 1 − 0.01958 ⋅ OM − 1
C – udział frakcji <0.002 mm [%],
− 0.2876 ⋅ ln( S ) − 0.0709 ⋅ ln(OM ) − 44.6 ⋅ ln( ρ )
S – udział frakcji 0.002 mm - 0.5 mm [%], − 0.02264 ⋅ ρ ⋅ C + 0.0896 ⋅ ρ ⋅ OM + 0.00718 ∗ topsoil ∗ C
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
b
b
b
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 glebowogruntowej 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)
[
]
 1 + α ⋅ h n m − α ⋅ h n− 1 



K ( h) = K s ⋅ 
n m⋅ ( l + 2 )
1+ α ⋅ h
[
2
]
parametrem opisującym ruch wody w strefie
nienasyconej gleby jest przewodnictwo
wodne K(h), które jest opisane równaniem
zaproponowanym przez van Genuchtena i
Mualema
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
-0.25
poziom
próchniczny
0.00
Ks
cm/d
θr θs
α
l
C
44.5 0 0.36 0.0082 1.2542
-1.34
12.20
0 0.35 0.0080 1.2496
-1.22
13.05
podeszwa 8.4
płużna
-
-
1/cm
n
-
-
%
S
OM
ρ
%
b
g/cm3
65.80
1.5
1.65
65.45
0.9
1.68
%
warstwa podglebia
-0.75
18.8 0 0.39 0.0127 1.2461
-1.11
17.02
63.94
0.4
1.60
-1.25
-1.50
Θr – wilgotność resztkowa
Θs – wilgotność przy stanie pełnego
nasycenia
α – parametr kształtu [cm-1]
-1.00
n - parametr empiryczny
podglebie o dużej gęstości
i małej przepuszczalności
Głębokość [m]
-0.50
Ks – współczynnik filtracji
I (zamiast K(h)
8.4
0 0.37 0.0142 1.1958
-1.82
21.60
58.20
0.3
1.63
C – udział frakcji <0,002 mm [%]
S – 0,002 – 0,5 mm [%]
OM – udział substancji organicznej
[%]
ρb – gestość objętościowa gleby