Wilgotność gleby
Pod pojęciem wilgotności rozumie się wyrażoną w
procentach
wagowych (% ww ) lub objętościowych (% vv ) zawartość
wody w
glebie.
W związku z tym wyróżnia się:
1. Wilgotność wagowa bezwzględna (W
bzw
) – jako stosunek masy
wody ( ) do masy gleby suchej (Gs)
W
bzw
=
* 100(%)
2.
Wilgotność wagowa względna (W
wz
) – jako stosunek masy
wody
( ) do masy gleby wilgotnej (Gw)
W
wz
=
*100(%)
O
H
M
2
S
O
H
G
M
2
O
H
M
2
w
O
H
G
M
2
Wilgotność objętościową (W
o
) – jako stosunek objętości
wody
( ) do objętości ( V ) gleby, w której jest zawarta.
W
o
= * 100(%)
Związek pomiędzy wilgotnością wyrażoną w %
wagowych a
wilgotnością w % objętościowych obrazuje wzór:
W
o
= W
bzw
* ρ
o
przy czym ρ
o
jest to gęstość gleby suchej (g/cm
3
)
O
H
M
2
S
O
H
G
M
2
Właściwości wodne gleb
Część porów glebowych wypełnionych jest
roztworem
glebowym
(woda z rozpuszczonymi w niej substancją mineralną i
organiczną).
Źródłem wody w glebie są:
a) opady atmosferyczne
b) podsiąkanie z warstw głębszych
c) poziome przesiąkanie z różnych zbiorników
wodnych)
(rzeki, jeziora, kanały, itp.)
d) nieznaczna ilość w wyniku skraplania pary
wodnej
e) sztuczne nawodnienia
Biorąc pod uwagę dynamikę ruchu wody, siły
wiązania oraz bezpośrednio skorelowaną z nimi
przyswajalność dla roślin w glebie wyróżniamy:
-
wodę związaną chemicznie
-
w postaci stałej, krystalicznej (lodu)
-
w postaci pary wodnej
-
wodę związaną siłami molekularnymi
-
wodę higroskopową (ściśle związaną),
- wodę błonkowatą (luźno związaną)
-
wodę kapilarną
a)
wodę kapilarną przywierającą
- zawieszoną: kątową (pendularną, stykową),
sorpcyjnie zamkniętą, wewnątrzagregatową,
właściwą
- opadniętą
b) wodę kapilarną właściwą:
- zamkniętą
- wstępującą
- otwartą (funikularną)
- wodę grawitacyjną:
- przesiąkową (perkolacyjną)
- wolno przesiąkową
- szybko przesiąkową
- podpartą
- ściekającą
- stagnująca
-woda gruntowa (wolna)
Siły wiązania wody w glebie
Woda w glebie utrzymywana jest różnymi siłami.
Wielkość fizyczną określającą tą siłę nazywa się
potencjałem wody glebowej, lub
siłą ssącą gleby. Powszechnie przyjętym symbolem
wyrażania tej wielkości jest symbol pF
pF = log h
gdzie:
log - logarytm dziesiętny,
h - wysokość słupa wody (cm), którego
ciśnienie odpowiada sile ssącej gleby.
W zależności od sił wiążących wodę w glebie
wyróżnia
się trzy podstawowe formy wody glebowej:
woda grawitacyjna:
- zajmuje makropory (Ø > 8,5 µm),
- utrzymuje się w glebie siłami mniejszymi od 0,33 atm,
- porusza się głównie w makroporach na skutek sił
grawitacyjnych,
- powoduje wymywanie składników pokarmowych z
gleby, wykorzystywana jest przez rośliny podczas
- powolnego przemieszczania się w strefie
przykorzeniowej.
woda kapilarna:
-
zajmuje głównie mezopory (Ø 8,5 – 0,2 µm ),
-
utrzymywana jest w glebie siłami od 0,33 do 31
atm,
-
jest w większości dostępna dla roślin,
-
porusza się we wszystkich kierunkach,
-
tworzy głównie roztwór glebowy,
woda higroskopowa:
-
zajmuje głównie mikropory (Ø < 0,2 µm),
-
utrzymywana jest w glebie siłami od 31 do 10 000
atm,
-
wiązana jest głównie przez koloidy glebowe ( <
0.002 mm),
-
nie wykazuje właściwości cieczy i nie jest dostępna
dla roślin,
-
przemieszcza się w glebie w postaci pary.
Wynika stąd, że jedynie część wody
glebowej jest dostępna dla roślin. Rośliny
mogą korzystać jedynie z wody
utrzymywanej siłami
mniejszymi niż
wynosi siła ssąca ich systemów
korzeniowych.
Siły ssące korzeni wybranych roślin
uprawnych
ROŚLINA
SIŁA SSĄCA
WEDŁUG
VEGELERA
(atm)
owies
6,7-8,1
pszenica ozima
6,7-11,1
pszenica jara
5,3-8,1
żyto
9,6-14,3
kukurydza
16-27
trawy pastewne
7-17
cebula
15,9-17,1
pF
2,0
= 0,1 atm
pF
2,5
= 0,3atm
pF
3,7
= 5 atm
pF
4,2
= 15 atm
pF
4,5
= 31 atm
Związek pomiędzy potencjałem wody
glebowej wyrażanej w jednostkach pF,
w jednostkach ciśnienia, średnicą
porów a jej zawartością określoną w
procentach wilgotności (% obj.)
przedstawia się w postaci
krzywej pF
inaczej nazywanej
krzywą sorpcji
wody.
10
20 30 40
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
atm
pF
m
ez
op
or
y
m
ikr
op
or
y
m
ak
ro
po
ry
obj. % HO
2
2,5
3,7
4,2
4,5
31
10000
15
5
0,3
8,5
0,2
0,1
PR
U
ER
U
ERU - efektywna retencja uyteczna (pF 2,0-3,7)
PRU - potencjalna retencja u yteczna (pF 2,0-4,2)
ż
ż
o porów
m
m
/
Profil 1
Poziomy genetyczne
M
t
50
60 70 80
90
Ot
ni
KRZYWA POJEMNOŚCI
WODNEJ
0
10
1
2
3
4
5
pF
4,5
2,5
3,7
1,6
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %
PROFIL NR
4
4,2
m
ez
op
or
y
m
ik
ro
po
ry
m
ak
ro
po
ry
10,0
70,0
0,2
o porów
m
m
/
OM - 25-40cm
Otni1 - 60-80cm
0
10
1
2
3
4
5
pF
4,5
2,5
3,7
1,6
20 30 40 50 60 70 80 90 100 %
4,2
Mt - 10-25cm
Otni - 30-45cm
D3G - 80-90cm
PROFIL NR
2
m
ez
op
or
y
m
ik
ro
po
ry
m
ak
ro
po
ry
10,0
70,0
0,2
o porów
m
m
/
KRZYWE POJEMNOŚCI WODNYCH DLA
RÓZNYCH UTWORÓW GLEBOWYCH
W oparciu o krzywą pF można określić
wiele ważnych właściwości wodnych gleb, z
których do najważniejszych należą:
-
Maksymalna pojemność wodna (MPW)
– odpowiada
procentowi wody przy pF = 0 (całkowicie wysycenie
wodą- woda wypełnia makropory)
-
Polowa pojemność wodna (PPW)
– odpowiada
procentowi wody przy pF = 2,5 - często za dolną
granicę przyjmuje się wartość 2,0 jeśli woda
gruntowa znajduje się bardzo płytko ( np. w
torfach), bądź dla utworów I i II drugiej kategorii
agronomicznej ( bardzo lekkich i lekkich).
-
Kapilarna pojemności wodna (KPW
)- odpowiada
procentowi wody pomiędzy pF 2,5 – 4,2 w przedziale
tym wyróżnia się:
- granicę (wilgotność) wody produkcyjnej
(GWPr)
odpowiadającą wartości pF = 3,7
- wilgotność (punkt) trwałego więdnięcia roślin
(PTW
lub WTW) – odpowiada wartości pF = 4,2
4. Potencjalna retencja użyteczna (PRU) – odpowiada
procentowi wody przy pF 2,5 – 4,2
5. Efektywna retencja użyteczna (ERU) – odpowiada
procentowi wody przy pF 2,5 – 3,7
Porowatość różnicowa wyrażona w procentach
objętościowych makro, mezo i mikroporów glebowych
Z rolniczego punktu widzenia istotne jest jaki jest w danej
chwili zapas wody, z której rośliny mogą korzystać.
Wyraża to wzór:
Z = mm
gdzie:
W – wilgotność naturalna wyrażona w procentach
wagowych (%ww)
PTW – wilgotność trwałego więdnięcia roślin( przy pF =
4,2) wyrażona w procentach wagowych
( %ww )
- gęstość objętościowa gleby ( g*cm
-3
)
h – miąższość gleby (cm)
10 – współczynnik
10
*
*
)
(
h
PTW
W
o
o
Jeżeli gleba składa się z kilku warstw
o różnej wilgotności i różnej gęstości
objętościowej, wówczas całkowity
zapas wody w tej glebie jest sumą
zapasów obliczonych dla każdej
warstwy oddzielnie
Przykładowe wartości wilgotności gleb płowych oraz
odpowiadające im zapasy wody wyrażone w mm opadu
Grupa
granulo-
metryczna
Głębokość
(cm)
Wn
%obj
mm
opadu
Pc
Piasek słabo
gliniasty
10-20
13,6
27,2
39,5
Piasek
gliniasty
lekki
14,9
29,8
40,6
Piasek
gliniasty
mocny
15,8
31,6
39,5
Glina lekka
70-85
21,8
32,7
33,7
Glina średnia
25,1
37,6
28,3
Glina lekka
85-100
21,2
31,8
31,2
Glina średnia
21,3
31,9
28,3
Efektywna (ERU) i aktualna (AERU) efektywna
retencja użyteczna w przykładowej glebie
płowej
Termin
oznaczenia
Efektywna retencja
użyteczna w
warstwach gleby
(mm opadu)
0-50cm
ERU
1
105
ERU
2
81
AERU
15.05
41
AERU
15.06
29
AERU
15.07
12
ERU
1
= pF
2,0
– pF
3,7
ERU
2
= pF
2,5
- pF
3,7
AERU = Wn – pF
3,7
Ruch wody w glebie
W ruchu wody w glebie wyróżnia się trzy fazy:
- wchłanianie przez glebę wsiąkającej wody - infiltrację
- przesiąkanie wody przez glebę- perkolację
- przewodzenie wody przez glebę przy pełnym jej nasyceniu –
filtrację
lub przewodnictwo hydrauliczne
Rodzaj ruchu wody glebowej jest ściśle uzależniony od
stopnia wypełnienia wodą porów glebowych.
Infiltracja:
Jest to ruch wody w strefie nienasyconej –
część porów
glebowych wypełnionych jest powietrzem i stopniowo
zwilżane są coraz
to nowe warstwy. Określa ona proces frontalnego wsiąkania
wody
(deszczowej, roztopowej, itp.) z powierzchni do wnętrza
profilu. Jej
prędkość z reguły maleje z upływem czasu – pory wypełniane
są wodą.
Jest cechą zmienną.
Perkolacja:
Pod tym terminem rozumie się ruch
wody w profilu glebowym wraz z rozpuszczonymi w niej
składnikami. Zależnie od dominującego kierunku ruchu
wody wyróżnia się następujące typy gospodarki wodnej
gleb:
-endoperkolatywny - ruch w głąb profilu
-egzoperkolatywny - ruch ku powierzchni gleby
-amfiperkolatywny - ruch przemienny ku górze i w dół
profilu
-periperkolatywny - ruch we wszystkich kierunkach.
Filtracja:
Filtracja wody glebowej przebiega w porach gleby w pełni
nasyconych wodą, przy przeważającym poziomym kierunku ruchu
wody. Jeżeli woda gruntowo-glebowa znajduje się w różnych
punktach terenu pod niejednakowym naporem to woda
przemieszcza się
w kierunku naporu mniejszego. Szybkość wchłaniania wody przez
glebę
zależy od współczynnika filtracji k i od spadku hydraulicznego I.
Tak zwany wydatek wody Q wyrażający ilościowo jej przepływ
określa się
prawem Darcy’ego
Q = k *I * w *t
gdzie:
Q - wydatek wody
k - współczynnik filtracji
I - spadek hydrauliczny zwierciadła wody gruntowej wyrażający
stosunek różnicy naporów ΔH do długości drogi filtracji L, ΔH/L
w - powierzchnia przekroju
t - czas przepływu
Współczynnik filtracji k wyrażany jest najczęściej w cm*s
-1
lub
w m*s
-1
Istnieje szereg metod oznaczania
współczynnika filtracji. Są to m.in.
metody:
1. obliczeniowe z wykorzystaniem wzorów
empirycznych (na
podstawie krzywej uziarnienia),
2. laboratoryjne np. metoda Black’a
3. polowe (próbnego pompowania, zalewania studni i
dołów
chłonnych, obserwacji wzniosu wody podziemnej w
studni).
WSPÓŁCZYNNIK
FILTRACJI DLA RÓŻNYCH
UTWORÓW GLEBOWYCH
UTWÓR GLEBOWY
WSPÓŁCZYNNIK
FILTRACJI M˙S
-1
Ił
n˙10
-11
Ił pylasty
n˙10
-9,-10
Glina ciężka
n˙10
-9
Glina średnia
n˙10
-7,-8
Glina lekka
n˙10
-6,-7
Piasek gliniasty
n˙10
-5,-6
Piasek luźny
n˙10
-4
Żwir drobny
n˙10
-2,-3
Torf słabo
rozłożony
n˙10
-4,-6
Torf silnie
rozłożony
n˙10
-7,-9
Oznaczanie współczynnika filtracji na
podstawie krzywej uziarnienia
Stosowanie tej metody, jak wszystkich metod
obliczeniowych, wymaga wykonania analizy
granulometrycznej. Zasadą metody jest wykonanie
analizy granulometrycznej gruntu w celu uzyskania
krzywej uziarnienia, z której odczytuje się średnice
miarodajne (efektywne, zastępcze). Średnica miarodajna
jest wielkością, na podstawie której określa się - poprzez
wzory empiryczne - wartość współczynnika filtracji.
Średnica miarodajna de
- to średnica fikcyjnej skały
filtracyjnej, składającej się z ziaren kulistych o
jednakowej
średnicy,
która
ma
taką
samą
wodoprzepuszczalność, jak skała badana. Średnicę
miarodajną określa się jako tę średnicę, poniżej której
zawartość ziaren w składzie granulometrycznym skały
stanowi określony procent, np.: średnica miarodajna de
= d10 oznacza, że 10 % skały stanowią ziarna o średnicy
mniejszej od miarodajnej d10, a 90 % ziarna większe.
Średnica miarodajna d10 jest to więc taka średnica na
krzywej uziarnienia, od której 10% kruszywa ma ziarna
mniejsze.
Skład granulometryczny
Tabela 2.
Numer
próbki
ZAWARTOŚĆ FRAKCJI [%]
Średnica ziarn [mm]
Podgrupa
granulometrycz
na
według PTG
2 –0,5
0,5 –
0,
25
0,25 –
0,1
0,1 –
0,05
0,05 –
0,02
0,02 –
0,005
0,005 -
0,002
<0,00
2
1
24,22
41,13
23,65
4
2
3
1
1
pl
2
3,35
35,10
46,55
7
3
2
0
2
pl
3
3,27
35,42
51,31
6
1
1
1
1
pl
4
3,12
37,67
49,21
7
0
2
1
1
pl
5
4,97
29,00
50,03
10
2
1
1
2
pl
3. Opracowanie wyników
1) Wykreślić krzywą uziarnienia wykorzystując dane z tabeli
(dla każdej badanej gleby).
2) Z uzyskanej krzywej uziarnienia odczytać średnice
miarodajne: de = d10 oraz d60 (dla wzoru Hazena) oraz
d20 i d50 (dla pozostałych wzorów).
3) Obliczyć współczynnik niejednorodności uziarnienia:
U =d60/d10
Im współczynnik U jest bliższy jedności, tym bardziej
równomierne jest
uziarnienie i tym lepsza jest przepuszczalność ośrodka
porowatego
(skały, gruntu, gleby).
4) Obliczyć współczynnik filtracji k ze wzorów: Hazena,
Seeldheima, USBR
oraz według wzoru Darcyego
1. Q = 1,0 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =
0,000463
2. Q = 14,2 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =
0,00593
3. Q = 16,4 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =
0,00687
4. Q = 18,4 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =
0,00769
5. Q = 6,8 cm3, 1 minuta, w = 19,6 cm2 , I = 2, k =
0,00283
