PEDOGEOCHEMIE Doc. Dr. Ing. Luboš Borůvka

Transkript

1 ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE FAKULTA AGROBIOLOGIE, POTRAVINOVÝCH A PŘÍRODNÍCH ZDROJŮ PEDOGEOCHEMIE Doc. Dr. Ing. Luboš Borůvka 2005

2 Česká zemědělská univerzita v Praze 2005 ISBN

3 PŘEDMLUVA Půda představuje jednu ze základních složek životního prostředí a jako taková se významně podílí na celkovém koloběhu prvků a látek v přírodě, na jejich geochemii. Znalost zdrojů látek v půdě, procesů jejich chování, přeměn, zadržování a pohybu by tedy mělo být nedílnou součástí vzdělání v geochemii. Tento učební text vznikl z přednášek Pedogeochemie pro studenty oboru Geologie životního prostředí a Geochemie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Obsahuje snímky z programu MS PowerPoint tak, jak jsou na přednáškách promítány, a měl by proto sloužit jako osnova, do které si studenti mohou dělat poznámky z výkladu. Jde tedy o jakýsi pracovní text, který by měl být doplněn vlastními poznámkami studentů; proto je pro tyto poznámky vymezen značný prostor. Nejde o učebnici, tento text sám o sobě si neklade za cíl podrobné vysvětlení jednotlivých problémů či procesů v půdě. K tomu je na konci uveden výčet nejdůležitější literatury, která byla při tvorbě tohoto textu použita a ve které lze najít podrobnější rozbor jednotlivých okruhů, i když samozřejmě tento výčet není úplný, řadu dalších poznatků a informací lze najít v odborných a vědeckých časopisech či na internetu. Záběr skript a celého předmětu je poněkud širší než by napovídal samotný název pedogeochemie. Vzhledem k tomu, že studenti, pro které je předmět určen, většinou neabsolvovali v předchozím studiu obecnou pedologii, na kterou ale musí vlastní pedogeochemie navazovat, je první část věnována právě stručnému přehledu obecné pedologie, tzn. složení a vlastnostem půdy, půdním procesům, vzniku a vývoji půdy a přehledu klasifikace půd. Hlavní pozornost je přitom věnována půdním vlastnostem a procesům, které ovlivňují a řídí chování, přeměny a pohyb prvků a látek v půdě. Další část skript, vlastní pedogeochemie, pak je věnována jednotlivým prvkům nebo skupinám prvků, jejich formám výskytu v půdě, chování, zdrojům atd. Zmíněno je i chování cizorodých organických sloučenin v půdě. Poslední část skript se pak stručně zabývá hlavními procesy chemické degradace půdy, kontaminací a acidifikací, a možnostmi úpravy vlastností takto degradovaných půd. Tento učební text bude distribuován především v elektronické podobě. Zajistí to jednak jeho lepší přístupnost pro studenty, jednak to umožňuje snazší aktualizaci a doplňování jeho obsahu. Luboš Borůvka 1

4 ÚVOD Definice půdy: Půda = povrchová vrstva souše vyvíjející se v důsledku působení půdotvorných faktorů a podmínek. Je schopna zajišťovat životní podmínky organismům v ní a na ní žijícím. Systémový pohled (nejširší definice): Půda = komplexní, polyfunkční, otevřený, polyfázový strukturní systém, tvořící povrchovou část litosféry Půda je: vertikálně a horizontálně strukturované přírodní tělo součást systému geosféra-biosféra přírodní zdroj, hospodářsky využitelný Pedon (řecky) = země Pedosféra = kůže Země, přes kterou probíhá soustavně výměna látek a energie mezi ostatními sférami Půda jako geomembrána tuto výměnu reguluje (propouštění, odraz, akumulace, přeměny ) Pedosféra v systému geosfér Terestrická biosféra Pedosféra Atmosféra Litosféra Hydrosféra 2

5 Význam a funkce půdy Produkční funkce zemědělská lesnická Mimoprodukční f. rekreační ekologické technické aj. Fixace rostlin Výživa rostlin Koloběh látek Koloběh vody Tvorba CO 2 Přeměny organické hmoty Přeměna sluneční energie Detoxikace cizorodých látek Úrodnost půdy = schopnost půdy poskytovat nutné životní podmínky pro rostliny i edafon Úrodnost je dána souborem fyzikálních, fyzikálně chemických, chemických a biologických vlastností půdy Úrodnost potenciální (přirozená) je dána genetickým vývojem - schopnost půdy poskytovat úrodu bez zásahu člověka Úrodnost efektivní je skutečná úrodnost po zásahu člověka Úrodnost umělá - u antropogenních půd Produkční schopnost - je dána schopností půdy poskytovat výnosy určité plodiny Rozdělení půdního fondu světa ZEMĚ. 51, ha.. 1/1 100 % OCEÁNY. 36, ha... 2/3 70,8 % SOUŠE. 14, ha... 1/3 29,2 % Souše 14, ha 100 % Orná půda... 1, ha 10 % 0,25 ha na 1 obyvatele (v ČR 0,31 ha) 3

6 Využití půdního pokryvu ČR (Zdroj: MZe) Využití Rozloha % celkové % (km 2 ) plochy zeměděl. půdy Orná půda ,32 72,37 Trvalé travní porosty ,01 22,11 Chmelnice 113 0,14 0,26 Vinice 155 0,20 0,36 Zahrady a sady ,66 4,89 Celkem zemědělské půdy ,33 100,00 Lesy ,40 Vodní plochy ,02 Stavby a komunikace ,65 Ostatní území ,61 Celková rozloha ,00 Úbytek z.p. v letech : 154 km 2 0,36 % VZNIK A VÝVOJ PŮDY klimatický faktor biologický faktor člověk voda mateční hornina zvětrávání půdotvorný substrát půdotvorný proces zvětrávání půda Podmínky půdotvorného procesu: - čas - reliéf 4

7 Vznik a vývoj půdy Půda = f ( kl, o, r, s, t ) ( Jenny 1941 CLORPT) kl = klima (CLimate) o = organismy (Organisms) r = reliéf (Relief) s = substrát (mateční hornina, Parent meterial) t = čas (Time) Možno rozšířit o podzemní vodu a antropogenní činnost Litogenní faktor půdotvorného procesu Mateční hornina (půdotvorný substrát) předmět přeměn přímý materiální faktor Textura a struktura horniny ovlivňuje: zrnitost a hloubku půdy prostorové uspořádání půdy transportní a transformační procesy Chemické složení horniny ovlivňuje: obsah bazických kationtů obsah rozpustných solí a živin pozaďové koncentrace rizikových prvků Klimatický faktor půdotvorného procesu Podnebí: materiální faktor energetický faktor Nejvýznamnější složky: srážky teplo poměr srážek a výparu vítr, mráz 5

8 Biologický faktor půdotvorného procesu Edafon a vegetace: zdroj humusotvorného materiálu transformační procesy v půdě biologický koloběh látek Fakultativní faktory Podzemní voda (nebo povrchové zamokření): redukční podmínky hydromorfní vývoj Lidská činnost (kultivace aj.): změny v chemických i fyzikálních vlastnostech změny v prostorovém uspořádání změny v koloběhu prvků Podmínky půdotvorného procesu Reliéf: nadmořská výška svažitost expozice Čas (stáří půd): doba, po kterou nerušeně působí půdotvorné faktory relativní Absolutní stáří našich půd holocén, tj. méně než let 6

9 SLOŽENÍ PŮDY Půda Plynná fáze Kapalná fáze Pevná fáze minerální organická MINERÁLNÍ SLOŽKA PŮDY Půdní minerály: primární sekundární Zvětrávání hornin a minerálů Fyzikální zvětrávání mechanické změny: vliv teploty objemové změny větrná a vodní eroze Chemické zvětrávání: rozpouštění oxidace a redukce hydrolýza a hydratace Biologické zvětrávání 7

10 Zrnitost (textura) půdy Půdní druh -určen zrnitostním složením x Půdní typ - skupina půd, určená vývojem, uspořádáním a výskytem diagnostických horizontů Frakce - % zastoupení částic daného velikostního rozmezí Kategorie -frakce či jejich soubory, použité ke klasifikaci zemin Pojmenování frakcí a kategorií (dle Kopeckého upraveno) Frakce Velikost (mm) Kategorie J Koloidní jíl < 0,0001 I. kat. E Fyzikální jíl < 0,001 < 0.01 mm M Jemný prach 0,001-0,01 = jílnaté část. N O Prach 0,01-0,05 II.kat. Z Práškovitý písek 0,05-0,1 III.kat. E Písek 0,1-2,0 IV.kat. M SKELET Hrubý písek 2-4 Štěrk 4-30 Kamení >30 KPP (Komplexní průzkum půd) místo 0,1 se používá 0,25 mm Zrnitost (textura) půdy Písek hrubé póry vysoká propustnost Křemičitanové písky -značná minerální síla Křemité písky - chudé půdy Jemný (práškovitý) písek důležitý je tvar částic -většinou < 10 % Prach příznivé fyzikální, chemické, biologické i technologické vlastnosti 8

11 Zrnitost (textura) půdy Jemný prach (silt) vyšší obsah nepříznivý za sucha moučnaté půdy za mokra rozbředání (slitá struktura) Jíl nejdůležitější frakce převážně lístkovitý charakter koloidní vlastnosti fyzikální a fyzikálně-chemické vlastnosti půdy Zastoupení minerálů v zrnitostních frakcích Hmotnostní zastoupení 100% 80% 60% 40% 20% Živce Křemen Slídy Jílové minerály a oxidy 0% Písek Prach Jíl Stupnice půdních druhů (dle Nováka) % I. kategorie Půdní druh Označení půdy 0-10 písčitá lehká hlinitopísčitá písčitohlinitá hlinitá střední jílovitohlinitá jílovitá > 75 jíl těžká 9

12 Grafikon pro klasifikaci druhů půd podle Kopeckého (Spirhanzlův klasifikátor) Trojúhelníkový diagram Zrnitost lehká středně těžká těžká velmi těžká Kategorie P, hp lehčí ph typická H, rh, R pjh, jh, rjh pj, rj, J Význam zrnitosti půdy Zvětratelnost Půdotvorné procesy Pohyb půdní vody (vsak, proudění) Provzdušnění půdy Sorpce Tepelný režim Technologické vlastnosti (obdělavatelnost) Biologická činnost 10

13 Zastoupení půd podle zrnitosti vpůdním pokryvu ČR Písčité až hlinitopísčité půdy 19 % Písčitohlinité až hlinité 59 % Jílovitohlinité až jíly 17 % Silně štěrkovité a kamenité 5 % Hlavní skupiny půdních minerálů Oxidy Si: křemen SiO 2, opál Al hydroxidy a oxyhydroxidy: gibbsit, bayerit, nordstrandit Al(OH) 3 boehmit, diaspor AlOOH Fe hydroxidy a oxyhydroxidy: goethit, lepidokrokit - FeOOH hematit, maghemit Fe 2 O 3 ferrihydrit Hlavní skupiny půdních minerálů Mn oxidy a oxyhydroxidy: birnesit, hollandit Fosforečnany: variscity, apatity Uhličitany: kalcit, dolomit, aragonit magnezit, natrit 11

14 Hlavní skupiny půdních minerálů Sírany sádrovec, anhydrit Halovce halit, fluorit Sulfidy - pyrit Hlinitokřemičitany (alumosilikáty): živce, slídy, pyroxeny, amfiboly jílové minerály Jílové minerály v půdě - (sekundární) vrstevnaté minerály půdy - výrazný vliv na chemické i fyzikální vlastnosti půdy - tvořeny tetraedry (Si) a oktaedry (Al) Vznik, původ: zdědění přeměna primárních minerálů (zvětrávání) syntéza Isomorfní substituce v jílových minerálech - plynulá záměna iontů mřížky (Si, Al) jinými ionty bez její změny - nastává během tvorby jílových minerálů - dle poloměru iontů O ,264 nm deficit kladného náboje Si 4+ 0,078 nm Al ,114 nm Nejčastěji: tetraedry: Si 4+ Al 3+, P 5+ oktaedry: Al 3+ Mg 2+, Fe 3+, Fe 2+, Li +, Ti 4+ Mg 2+ 0,164 nm Fe 3+. 0,134 nm Fe 2+. 0,166 nm Ti ,136 nm Ca ,198 nm K +.. 0,266 nm P 5+. 0,070 nm 12

15 Klasifikace jílových minerálů (dle Grima,1953) Nekrystalické: skupina alofanu Krystalické: typ 1:1 skupina kaolinitu typ 2:1 skupina illitu s neexpandující mřížkou skupina montmorillonitu s expandující mřížkou Klasifikace jílových minerálů (dle Grima,1953) Krystalické: typ 2:2 skupina chloritu nesendvičová vrstva oktaedrů Mg(OH) 2 -brucitu typ s řetězovou strukturou skupina attapulgitu interstratifikované minerály (se smíšenou strukturou) Skupina alofanu amorfní gely alumosilikátů různého složení charakteristické pro půdy na vulkanických popelech (Andosoly) dobrá struktura půdy, vysoká pórovitost, vysoká propustnost vyluhování vysoký podíl náboje závislého na ph (variabilního) vysoká aktivita Fe, Al vysoká sorpce P alofan, imogolit 13

16 Skupina kaolinitu Kaolinit (1900x zvětšeno) Dobře krystalizovaný kaolinit s jemnými vlákny illitu 14

17 Skupina kaolinitu další minerály: dickit, nakrit isomery kaolinitu halloysit struktura podobná kaolinitu Dickit Trubkovitý halloysit 15

18 Kulovitý halloysit Skupina kaolinitu běžně se vyskytují v půdách jednoduchá struktura pevná vazba T a O velmi malá isomorfní substituce malá adsorpce kationtů nejsou bobtnavé vznikají zvětráváním i krystalizací Skupina illitu 16

19 Illit (17600x zvětšeno) Skupina illitu vznikají zvětráváním slíd depotasifikací slídám podobné, ale: méně dokonalá krystaličnost méně alkálií (K + ) a méně vody značná subtituce Al 3+ za Si 4+ v tetraedrech (1/6 Si oproti slídám) K + brání oddálení dvojvrstev výměna kationtů - zejména na přerušených vazbách (v mezivrstevných prostorech omezena) Skupina illitu další minerál - vermikulit částečně bobtnavý častý výskyt v půdách K + v mezivrství částečně nahrazen Mg 2+ 17

20 Skupina montmorillonitu (smektitu) Montmorillonit Montmorillonit (zvětšeno 21000x) 18

21 Skupina montmorillonitu (smektitu) velmi slabé přitažlivé síly a nestálá vzdálenost mezi souvrstvími bobtnavé kationty mohou být poutány i uvnitř plné nasycení (zejména K + ) vede ke zpevnění struktury plná hydratace vede k rozplavení paketů další minerály: nontronit velká isomorfní substituce Fe 3+ v oktaedrech beidellit záporný náboj vzniká celý v tetraedrické vrstvě (Al 3+ Si 4+ ) Skupina chloritu Skupina chloritu pocházejí z hornin nebo se tvoří v půdách častý výskyt v půdách na vyvřelých horninách chemické složení kolísá často toxické koncentrace Cr a Ni Mg oktaedry (brucit) částečně zpevní strukturu některé chlority i bobtnají 19

22 Skupina attapulgitu 1,34 nm vlákno T-O-T vznikají z amfibolů a pyroxenů hydrotermální přeměnou (žilky ve vápenci a dolomitu) zejména v aridní zóně attapulgit, sepiolit Attapulgit Interstratifikované minerály běžné kombinace jednotlivých základních typů struktur důsledek rozpadu jílových minerálů označení - začáteční písmena minerálů (IM, IK) 20

23 Schéma depotasifikace Vliv prostředí na typ vznikajícího jílového minerálu ŽIVCE IONTY nebo GELY Montmorillonit Illit Kaolinit Vlastnosti jílových minerálů Bobtnavost: montmorillonity silně bobtnavý illit, vermikulit částečně bobtnavé Vysoký specifický povrch: skupina kaolinitu m 2.g -1 skupina illitu m 2.g -1 skupina montmorillonitu m 2.g -1 Sorpční vlastnosti 21

24 Sorpční kapacita jílových minerálů Minerál Sorpční kapacita (mmol(+)/100 g) Kaolinit 3 12 Illit Chlorit Montmorillonit Vermikulit PŮDNÍ STRUKTURA prostorové uspořádání půdních částic Stav uspořádání: elementární slitý půdní škraloup agregátový Tvorba struktury: desagregace agregace cementace Faktory tvorby struktury zrnitost (textura) koagulace koloidů přítomnost vícemocných kationtů hydroxidy a seskvioxidy Al a Fe humusové látky interakce mezi jílnatými částicemi a molekulami organické hmoty půdní organismy zpracování půdy fyzikální síly (objemové změny, mráz, vlhkost) 22

25 Vliv iontů na strukturu ζ c Vztahy mezi půdními částicemi Typy struktury podle velikosti Mikrostruktura Makrostruktura Megastruktura < 0,25 mm 0,25-50 mm > 50 mm 23

26 Hierarchie půdních agregátů Makroagregáty.kořeny.hyfy Mikroagregáty.vlásečnicové kořeny.hyfy.polysacharidy Submikroagregáty.minerální částice obalené rostlinnými a mikrob. zbytky.rostlinné zbytky potažené jílem Primární částice prachu, jílu a humusu. jíl a organominerální komplex Typy struktury podle tvaru STRUKTURNÍ ELEMENTY rovnoměrně vyvinuté vertikálně protažené horizontálně protažené zaoblené ostrohranné hranolovitá deskovitá kulovitá zrnitá svrchní část bez zaoblení polyedrická prismatická svrchní část zaoblená sloupkovitá Typy struktury podle tvaru 1 - kulovitá 2 - polyedrická 3a - hranolovitá 3b - sloupkovitá 4 - deskovitá 24

27 Ojediněle částicová struktura, minerální zrna leží izolovaně vedle sebe (elementární stav) Nevyvinutá struktura, spraš Drobtovitá struktura - drnový horizont, ideální stav Drobtovitá struktura - svrchní části ornice, meziplodiny Hrudkovitá struktura - typická pro podorničí Smíšená struktura - 50% drobtů a 50% hrudek 25

28 Deskovitá struktura - zpracováním půdy nedotčené luvizemě Význam půdní struktury Pro půdu: zadržování vody, vsak (infiltrace) propustnost pro vodu a vzduch biologická činnost rovnováha mezi rozkladnými a syntetickými procesy (mineralizace a humifikace) Pro vegetaci: příznivý vodní režim uvolňování živin rozvoj a růst kořenů PÓROVITOST PŮDY udává podíl pórů z celkového objemu půdy a jejich velikost je dána zejména: zrnitostí (texturou) půdy, půdní strukturou ulehlostí a zhutněním půdy, kypřením ovlivňuje: vzájemný poměr fází půdy pohyb vody a roztoků půdou provzdušnění půdy, pohyb plynů průběh reakcí a procesů v půdě 26

29 Měrná (specifická) hmotnost půdy = zdánlivá hustota půdních částic hmotnost objemové jednotky vysušené pevné fáze půdy v nejtěsnějším uložení (bez pórů) určuje ji především zastoupení křemene, živců, slíd a jílových minerálů nejčastější hodnoty: 2,6-2,7 Mg.m -3 průměr cca 2,65 Mg.m -3 rašeliny ~ 1,5 Mg.m -3 indikuje minerálové složení půdy a přítomnost organické hmoty označení ρ z (angl. particle density) Objemová hmotnost půdy hmotnost objemové jednotky vysušené půdy v neporušeném stavu nejčastější hodnoty: běžné minerální půdy - 1,2-1,6 Mg.m -3 rašeliny až 0,11 Mg.m -3 ulehlé minerální půdy 1,8 Mg.m -3 označení ρ d (angl. bulk density) Celková pórovitost půdy ρ z ρ d P = * l00 [%] ρ z vyjadřuje se: jako bezrozměrné číslo (0,25-0,7) v procentech objemu půdy (25-70 %) nejčastější hodnoty: % 27

30 Dělení půdních pórů Pórovitost: meziagregrátová hrubší póry vnitroagregátová jemnější póry ideální stav: celková pórovitost % meziagregátová p. 1/3 vnitroagregátová p. 2/3 Porovnání relativního počtu makro a mikropórů Vliv velikosti, uniformity a uspořádání zrn na množství a velikost pórů 28

31 Dělení pórů z energetického hlediska Pórovitost: nekapilární gravitační síly semikapilární gravitační i kapilární síly kapilární kapilární síly (vzlínání) Síly působící na vodu v půdních pórech Síla vzlínání F = 2πσ r cosα r = poloměr válcovité kapiláry (m) α = úhel smáčení Tíha ρ w = měrná hmotnost vody (10 3 kg m -3 ) g = tíhové zrychlení (9,81 m s -2 ) σ = povrchové napětí vody (N m -1 ) G = π r h t = výška vzlínání do rovnovážného stavu (m) 2 h t ρw g F = G Ekvivalentní poloměr pórů = poloměr náhradních kapilár, které se při odtažení vody z jednotkového objemu půdy uplatní stejně jako skutečné - přirozené pórové trubice r 2σ cosα g ht = [ m] r = [ m] ρ w r = poloměr válcovité kapiláry (m) α = úhel smáčení 2 σ cos α p ρ w = měrná hmotnost vody (10 3 kg m -3 ) p= použitý tlak (Pa) g = tíhové zrychlení (9,81 m s -2 ) σ = povrchové napětí vody (N m -1 ) h t = tlaková výška (m) 29

32 Zhutnění (utužení) půdy Druhy: přirozené (asi 20 % našich půd) technogenní (těžká mechanizace) Důsledky: snížení pórovitosti, zvýšení objemové hmotnosti omezení mikrobiální činnosti omezení vývoje kořenů snížení propustnosti pro vodu i vzduch zhoršení obdělavatelnosti VODA V PŮDĚ Půdní voda = veškerá voda vyskytující se trvale nebo dočasně v půdním profilu (kapalná, pevná, plynná fáze) má vztah k půdotvorným procesům a k vegetaci hybná síla všech pochodů podmínka vzniku půdy a života v ní Bilance vody v půdě Vstupy (zdroje) srážky, kondenzace podzemní voda závlahy (voda z odumřelých kořenů a mikroorganismů) Výstupy povrchový a podzemní odtok evaporace transpirace 30

33 Retenční schopnost půdy 1 ha m 2 hloubka ~0,7 m m 3 pórovitost ~50 % m 3 kapilární pórovitost ~50 % ~1.700 m 3 Půdní vlhkost = množství vody v půdě (v pórech) Objemová vlhkost (θ) = poměr objemu vody k celkovému objemu půdy V θ = w V ( 100% ) Hmotnostní vlhkost (w) = poměr hmotnosti vody k hmotnosti tuhé fáze půdy (105ºC) m w = m w z ( 100% ) ρ θ = w d ρ w Metody stanovení vlhkosti půdy Gravimetrická metoda základní srovnávací metoda rozdíl mezi hmotností vlhké a suché (105, resp. 60ºC) půdy Odporová metoda el. vodivost půdy jako funkce vlhkosti Kapacitní metoda dielektrická konstanta půdy jako funkce vlhkosti Metoda TDR (Time Domain Reflectometry) zpomalení el. impulsu při průchodu půdou Neutronová metoda zpomalení rychlých neutronů po interakci s atomy H Gamaskopická metoda zeslabení nebo rozptyl γ záření v půdě 31

34 Kategorie půdní vody Gravitační voda převládá působení zemské tíže dočasně v hrubých pórech není pevně vázána pevnou fází tzv. volná voda význam pro transport látek v půdním profilu Kapilární voda převládá působení kapilárních sil (adheze a koheze) výška vzlínání je prakticky omezena hodnotou 2-3 m dělí se na vodu lehce a těžce pohyblivou (lentokapilární) se vzrůstající výškou klesá rychlost vzlínání Kategorie p. v. Kapilární voda vzlínání Kategorie půdní vody Adsorpční voda poutána k povrchu částic adsorpčními a osmotickými silami polymolekulární vrstva v 1. vrstvě (1 nm) síla ~600 MPa, v dalších vrstvách klesá málo pohyblivá (pouze v plynném stavu) nepřijatelná pro rostliny nemá rozpouštěcí schopnost adsorpční voda kapilární voda 32

35 Adsorpční isotermy vody ADSORBOVANÁ VODA (%) RELATIVNÍ TLAK PAR H 2 O (%) Půdní hydrolimity = vodní charakteristiky (vlhkosti) vyjadřující vztahy půdy a vody a jejich změny charakterizovány: vlhkostí pf hodnotami (log tlakové výšky) Základní hydrolimity objektivně existující půdní vláhové charakteristiky tvoří rozmezí energetických kategorií půdní vody Aplikované hydrolimity popisují typické vlhkostní stavy půdy Půdní hydrolimity základní Adsorpční vodní kapacita - AVK maximální množství vody poutané adsorpčními silami rozmezí mezi adsorpční vodou a těžce pohyblivou kapilární vodou Lentokapilární bod - LB rozmezí mezi těžce a lehce pohyblivou kapilární vodou pf 3,1 3,5 Retenční vodní kapacita - RVK maximální množství vody, které je půda po nadměrném zavlažení schopna zadržet vlastními silami rozmezí mezi kapilární a gravitační vodou pf 2 2,8 33

36 Půdní hydrolimity aplikované Bod vadnutí - BV minimální mez fyziologicky využitelné vody vlhkost, kdy rostliny jsou trvale nedostatečně zásobeny půdní vodou a vadnou smluvně: Pa (1,5 MPa), nebo pf = 4,18 Polní vodní kapacita - PK ustálený (kvazistacionární) stav vlhkosti přirozeného půdního profilu po nadměrném zavlažení shora Maximální kapilární kapacita MKK (podle B. Nováka) přibližný kvazistacionární stav, který dobře charakterizuje rozdělení vlhkosti při vzlínání vody z hladiny podzemní vody a počátečně ustálenou vlhkost v půdě po závlaze (srážce) 34

37 Klasifikace půdní vody podle Drbala (1962) Příčný řez kořenem obklopeným půdou ve vlhké (a) a suché (b) půdě Potenciál půdní vody = práce, kterou je třeba dodat na odtržení a přemístění částečky čisté vody z místa s atmosférickým tlakem na srovnávací úrovni (zpravidla hladina podzemní vody) do daného místa v půdě energie vztažená na jednotku vody: na jednotku hmotnosti vody - [J.kg -1 ] na jednotku objemu vody - Pa [N.m -2 ] na jednotku tíhy vody (hmotnost x g) - [m] určuje poutání a pohyb vody v půdě lze rozdělit na složky (dílčí potenciály) 35

38 Potenciál půdní vody - složky Gravitační potenciál - ϕ g dán zemskou tíhou ϕ g = g.z, kde: g je tíhové zrychlení, z výška nad hladinou podzemní vody Vlhkostní potenciál - ϕ w působení rozdílných vlhkostí matriční síly projevuje se jako sací tlak (podtlak) Potenciál půdní vody - složky Pneumatický potenciál - ϕ a vnější tlak plynů Osmotický potenciál - ϕ o rozdíl koncentrace rozpustných solí Zátěžový potenciál - ϕ e zatížení půdy, deformace Potenciál půdní vody Tlakový (tenzometrický) potenciál - ϕ p tlak měřený tenzometrem ϕ p = ϕ w + ϕ a + ϕ e Celkový potenciál - Φ Φ = ϕ g + ϕ w + ϕ a + ϕ o + ϕ e při záporném potenciálu půda poutá vodu 36

39 Potenciál půdní vody - vyjádření Sací tlak vlhkostní potenciál jako podtlak (Pa) Tlaková výška - h metry nebo cm vodního sloupce potřebné k odsátí vody z půdy k dosažení rovnovážného stavu pf (Schofield) pf = log h, kde h je v cm Tenzometr 37

40 Tenzometr Retenční čáry vlhkosti (pf křivky) = grafické zobrazení vztahu mezi vlhkostí půdy a vlhkostním potenciálem (resp. sacím tlakem nebo tlakovou výškou) 38

41 Tlaková výška h (cm) či pf (=log h) vlhkost objemová θ (%) Hystereze Hystereze 39

42 Pohyb vody v půdě probíhá ve směru záporného gradientu potenciálu (tj. z místa s vyšším potenciálem do místa s nižším potenciálem) komplikovaný proces, neboť: půda je heterogenní porézní prostředí pohyb je ovlivněn teplotou dochází ke ztrátám (rostliny, výpar ) nepohybuje se čistá voda, ale roztok Pohyb vody v nasycené půdě nejjednodušší popis, nejméně častý stav rychlost lze popsat Darcyho rovnicí: v = K. H/L = K. I kde: K koeficient filtrace H rozdíl výšek hladin L délka sloupce zeminy H/L = I hydraulický spád Pohyb vody v nenasycené půdě komplikovanější, v půdě převládá změny oproti nasycené půdě: tlakové síly nahrazeny tahovými omezený průtočný průřez (neúplné vyplnění pórů vodou) dva druhy: ustálené proudění neustálené proudění 40

43 Pohyb vody v nenasycené půdě Ustálené proudění lze také popsat Darcyho rovnicí: v = - k. grad Φ kde: v rychlost proudění k koeficient nenasycené hydraulické vodivosti Φ potenciál půdní vody Pohyb vody v nenasycené půdě Neustálené proudění obsah vody se mění s časem pro popis nutno použít kombinace Darcyho rovnice a rovnice kontinuity Rovnice kontinuity: algebraický součet hmotnosti vody vstupující do určitého objemu a hmotnosti z něj vystupující se rovná změně hmotnosti vody v tomto objemu, v nejjednodušším vyjádření: kde: θ vlhkost t čas v z rychlost ve směru z Pohyb vody v nenasycené půdě Neustálené proudění kombinace Darcyho rovnice a rovnice kontinuity: kde: θ vlhkost t čas z vzdálenost mezi místy k nenasycená hydraul. vodivost Φ potenciál půdní vody předpoklady řešení : znalost vztahů mezi vlhkostním potenciálem a vlhkostí definování počátečních a okrajových podmínek 41

44 Mísitelné proudění proudění vody s odlišnou koncentrací a složením rozpuštěných solí nebo jiných látek mísení roztoků Hydrodynamická disperze parabolické rozdělení rychlostí při laminárním pohybu geometrické uspořádání půdních částic Molekulární difuse náhodný všesměrný pohyb molekul v půdním roztoku zejména při malých průtokových rychlostech Infiltrace = vsak vody do půdy specifický případ neustáleného proudění v nenasyceném prostředí rozhoduje o využití atmosférických srážek i závlahy závisí na: počáteční vlhkosti vlastnostech půdního povrchu (struktura) hydraulické vodivosti době trvání výskytu brzdících vrstev v profilu Infiltrace Rychlost infiltrace v = dq / F dt kde: Q = objem infiltrující vody (m 3 ) F = plocha půdy, přes kterou probíhá infiltrace (m 2 ) t = čas (s) Kumulativní infiltrace celkové množství vody zasáklé do půdy za určitý čas i = Q / F [m] 42

45 Infiltrace Infiltrace Vodní režim půdy souhrn všech jevů vnikání vody do půdy, jejího pohybu a zadržování v půdě a unikání z půdy klasifikace podle koeficientu zavlažení (Glet, Rode): KZ = S / V promyvný KZ > 1 (srážky / výpar) periodicky promyvný KZ = 1 nepromyvný KZ < 1 výparný KZ << 1 bažinný závlahový - (KZ < 1) 43

46 Vodní režimy půdy Soil Taxonomy Akvický (aquic) redukční podmínky, nepřítomnost O 2 Aridní (aridic a torric) > polovinu roku suché, < 90 po sobě jdoucích dnů vlhké Udický (udic) > 90 po sobě jdoucích dnů vlhké, < 45 psj. dnů suché Ustický (ustic) přechod mezi aridním a udickým Xerický (xeric) > 45 psj. vlhké (zima), > 45 psj. dnů suché (léto) Bilancevodyv půdě Z Z + S + P PV + P PZ + K = E + T + O PV + O PZ + Z K Z Z = zásoba vody v půdě na počátku bilančního období S = úhrn srážek P PV, P PZ = povrchový a podzemní přítok K = kondenzace E = evaporace T = transpirace O PV, O PZ = povrchový a podzemní odtok Z K = zásoba vody na konci bilančního období Bilance vody 44

47 Bilancevodyv půdě VZDUCH V PŮDĚ = plynná fáze půdy Význam (a faktory jeho složení): dýchání organismů výměna plynů mezi půdou a atmosférou průběh reakcí v půdě Formy: volně pohyblivý vázaný na pevnou či kapalnou fázi fyzikální vazby na povrchu pevné fáze rozpuštěné plyny v kapalné fázi uzavřené bublinky v kapilárních pórech Složení půdního vzduchu velmi proměnlivé ve srovnání s atmosférickým vzduchem: méně O 2 (10-20 % obj., ale i pouhé stopy) více CO 2 (0,1-5 %, ale i 10, extrémně až 50 %) podobný obsah Ar a dalších inertních plynů (0,9 %) obsah N 2 v závislosti na obsahu O 2 a CO 2 vodní pára za anoxických podmínek: vysoká koncentrace CO 2 a CH 4 nízký obsah N 2 (až %) přítomny další plyny: H 2 S, N 2 O, C 2 H 4, H 2 45

48 Složení půdního vzduchu Kyslík (O 2 ): z atmosféry obsah závisí na aeraci půdy obsah obvykle klesá směrem do hloubky význam má i rozpuštěný O 2 Obr.: obsah kyslíku ve vlhkém agregátu Složení půdního vzduchu Oxid uhličitý (CO 2 ): z dýchání organismů nejvyšší v málo provzdušněné půdě, při vyšší vlhkosti a teplotě zvyšuje se závlahou a organickým hnojením v rámci profilu je maximum: při nízké hladině podzemní vody zhruba v ½ profilu při vysoké hladině podzemní vody u této hladiny snadno rozpustný ovlivňuje ph půdy Složení půdního vzduchu Oxid dusný (N 2 O): z mikrobiální přeměny dusíkatých látek (především denitrifikace) konc. až 0,01-0,65 % Ethylen: z rostlin, mikroorganismů aj., zvláště v kyselých lesních půdách rostlinný hormon Metan a další nasycené uhlovodíky: v anoxických poměrech při nadbytku organické hmoty (zejména zaplavované půdy a sedimenty) koncentrace až desítky % 46

49 Obsah vzduchu v půdě Vzdušné charakteristiky půdy: doplněk vodních charakteristik Provzdušenost: momentální obsah vzduchu V z = P θ mom Pohyb vzduchu v půdě výměna mezi půdou a atmosférou Proudění (10 %): tlakový gradient změny teploty a atmosférického tlaku srážková voda, vítr, obdělávání půdy příjem vody kořeny, kolísání hladiny podzemní vody propustnost pórů Difuse (90 %): v plynné i kapalné fázi difusní gradient - změna parciálních tlaků součástí p. vzduchu, zejména CO 2, O 2 Aerace (provzdušnění) půdy komplikovaný jev daný celou řadou procesů významně ovlivňuje úrodnost půdy Ukazatelé: vzdušné charakteristiky (kapacity) složení půdního vzduchu vzdušná permeabilita půdy 47

50 TEPELNÉ POMĚRY V PŮDĚ neustálá změna v prostoru i čase Význam pro: rychlost a směr fyzikálních procesů výměnu hmoty a energie mezi půdou a atmosférou průběh chemických reakcí biologické procesy Teplotní bilance půdy výsledek příjmů a ztrát tepla Změny: den - noc roční období v průběhu roku se rozdíly vyrovnávají výsledná bilance je nulová Zdroje tepelné energie půdy Celkové krátkovlnné záření: přímé záření Slunce rozptýlené záření oblohy Dlouhovlnné záření: přeměna krátkovlnného záření v atmosféře Uvolněné teplo: rosa, jinovatka 48

51 Výdej tepelné energie půdy Dlouhovlnné vyzařování Země Evapotranspirace Turbulentní výměna s přízemní vrstvou atmosféry Odvádění tepla do hlubších vrstev Faktory tepelných poměrů půdy Vnější: intenzita dopadajícího záření úhel dopadu, nadmořská výška obsah vodních par adsorpční schopnosti povrchu barva Vnitřní: tepelná kapacita tepelná vodivost teplotní vodivost a kolmý dopad menší plocha větší ohřev b úhel 45 - větší plocha menší ohřev Tepelná kapacita půdy Tepelná kapacita - C: = změna v obsahu tepla v jednotkovém objemu půdy při jednotkové změně teploty. Rozměr : [J.K -1.m -3 ] Tepelná kapacita půdy: souhrn tepelné kapacity jednotlivých fází: C = f s C s + f w C w + f a C a kde f je objemový zlomek každé fáze (s pevné, w kapalné, a plynné) V praxi: C = 2,0 m + 2,5 o + 4,2 w kde m obsah minerální složky o obsah organické hmoty w obsah kapalné fáze 49

52 Tepelná kapacita půdy Objemové tepelné kapacity půdních složek při 10 C: Složka půdy Hustota Tepelná kapacita C Mg. m -3 MJ. m -3. K -1 Křemen 2,66 2,0 Ost. minerály 2,65 2,0 (průměr) Organická hmota 1,3 2,5 Voda 1,0 4,2 Vzduch 0, ,00125 Tepelná vodivost půdy = přenos tepla v půdě Závisí na: mineralogickém složení obsahu humusu vlhkosti zrnitosti struktuře Tepelná vodivost půdy Příklady tepelných vodivostí: Hmota Tepelná vodivost (J.m -1.s -1. K -1 ) Písek... 1,3 Hlína... 0,38 Jíl... 0,34 Voda... 0,42 rozhodující Vzduch... 0,02 pro půdu Křemen... 4,9 Org.hmota... 0,35 50

53 Vliv vlhkosti na tepelnou vodivost půdy Teplotní vodivost půdy = rychlost, s jakou probíhají změny teploty v půdě určuje hloubku, do jaké pronikne změna teploty na povrchu půdy dána poměrem tepelné vodivosti a tepelné kapacity Záhřevnost půdy ovlivněna tepelnými vlastnostmi půdy Závisí na: vlhkosti snižuje záhřevnost suché půdy - rychlé zahřátí povrchové vrstvy zamokřené půdy - nejnižší záhřevnost druhu půdy písčité půdy - záhřevnější jílovité půdy - studené rašelinové půdy - obdoba jílovitých půd půdním typu CE, CC, RZ, RG > HN, LU, KA 51

54 Záhřevnost půdy Úloha skeletu: den noc Tepelný režim půdního profilu spojitý průběh sinusoidní např. den - noc Důsledek: zmírňování teplotních výkyvů s hloubkou zpožďování oproti ovzduší Teplotní výkyvy v půdě Hloubka teplotních výkyvů: Denní výkyvy cm Měsíční výkyvy... 5 m Roční výkyvy m Zpoždění teplotních výkyvů: Hloubka Minima Maxima 80 cm 32 dní 25 dní 160 cm 45 dní 35 dní Praktický důsledek: otužování rostlin na podzim rozvoj vegetace na jaře Podzim Jaro 52

55 Působení mrazu v půdě Účinky mrazu: příznivé - fyzikální vlastnosti půdy (struktura) nepříznivé - kořínky Faktory: fyzikální vlastnosti vlhkost Mrznutí vody v půdě -< 0 C: obsah solí vazba vody Hloubka promrzání: 0,4-0,5 m, max. 0,8-1,0 m Termické režimy půd Kritéria klasifikace: ekologické požadavky rostlin a půdních organismů 0 C...inaktivace biologické činnosti v půdě 0-5 C...zamezení růstu kořenů většiny rostlin C...klíčení semen tropických rostlin denní a sezónní fluktuace teplot v různých hloubkách vliv sněhové pokrývky vliv hladiny podzemní vody a reliéfu vliv vegetace Termické režimy půd (Dim, 1972) 1. Soustavně mrazový záporná teplota půdy, souvislý permafrost v podloží 2. Dlouhodobě mrazový souvislé teploty < 0 C po více než 5 měsíců v roce 3. Sezónně promrzající s dlouhým obdobím kladných teplot půda promrzá 1-5 měsíců 4. Teplý bez záporných teplot či jen na několik dní 5. Výhřevný půdní teploty neklesnou pod 10 C 53

56 Termické režimy ČR Typ 3. Sezónně promrzající rozvedl Bedrna Termické režimy Soil Taxonomy Průměrná roční Sezónní Termický teplota ( C) diference ( C) režim půdy 0 > T pergelický 8 > T bez permafrostu, t v létě do 15 C kryický 8 > T > 0 D 6 frigidní 8 > T > 0 6 > D isofrigidní 15 > T 8 D 6 mezický 15 > T 8 6 > D isomezický 22 > T 15 D 6 termický 22 > T 15 6 > D isotermický T 22 D 6 hypertermický T 22 6 > D isohypertermický Vliv teploty na průběh reakcí v půdě Arrheniova rovnice: k = A e -Ex/RT k = rychlostní konstanta A = konstanta vztažená k četnosti kolizí E x = aktivační energie pro daný proces R = plynová konstanta T = absolutní teplota 54

57 Vliv teploty na sorpci v půdě Kinetika sorpce: Statika sorpce: Bilance záření během dne a noci Rozsahy teploty půdy spojené s různými půdními procesy 55

58 PŮDNÍ ORGANICKÁ HMOTA = soubor všech neživých organických látek nacházejících se na povrchu půdy či v ní složitý výzkum - neustálé reakce mezi organickými látkami samotnými a mezi nimi a půdním minerálním podílem Půdní humus: řada definic: totéž co půdní organická hmota odumřelé organické látky v různém stupni rozkladu a resyntézy, jejichž část je vázána na minerální podíl Význam půdní organické hmoty zásobárna energie, uhlíku a živin pro edafon i rostliny zadržování vody fyzikální vlastnosti půdy (struktura) chemické vlastnosti půdy: sorpce zadržování živin aj. látek půdní reakce (organické kyseliny, ústojná schopnost) tvorba komplexů půdotvorné procesy 56

59 Hodnocení obsahu OH v půdě Obsah v humusovém horizontu (% hmotnosti) Obsah velmi nízký nízký střední vysoký velmi vysoký % C org < 0,6 0,6 1,2 1,2 1,7 1,7 2,9 > 2,9 % humusu < > 5 Metody stanovení: oxidace org. hmoty (na suché nebo mokré cestě) Přepočet humusu a C org : Welteho koeficient 1,724 (=1/0,58) Rozdělení půdní organické hmoty podle stupně přeměny Humusotvorný materiál: nerozložené odumřelé zbytky rostlin, živočichů a mikroorganismů Nehumusové látky (meziprodukty) : meziprodukty rozkladu a syntézy mají stanovitelné chemické charakteristiky Humusové látky vlastní humus: konečné produkty humifikačních pochodů Přeměny půdní organické hmoty Degradace: rozklad výchozího materiálu, částečná mineralizace tvorba monomerů kondenzace meziproduktů rozkladu a syntézy polymerace vytvořených kondenzátů či monomerů Změny v chemickém složení: zvyšuje se obsah C a snižuje obsah O snižuje se poměr C: N čerstvá org. hmota ~ : 1 zhumifikovaná org. hmota ~10 : 1 57

60 Změny v chemickém složení v průběhu přeměn (% sušiny) Materiál C O H N Celuloza ,2 0,0 Rostliny ,8 1,6 Dubové dřevo ,0 1,3 Huminové kyseliny 57,6 32,5 5,1 4,8 Rašelina černá ,2 2,1 Hnědé uhlí ,6 0,9 Černé uhlí 83 10,5 5,1 1,2 Antracit 96 1,6 1,6 0,8 Grafit 99,9 0,0 0,1 0,0 Humusotvorný materiál především rostlinné zbytky slouží jako: zdroj pro půdní mikroorganismy primární materiál pro produkci specifických i nespecifických humusových látek Rychlost rozkladu: závisí na chemickém složení (C/N) snazší rozklad: bílkoviny, celulosa pomalejší rozklad: lignin, lipidy, třísloviny Humusotvorný materiál 58

61 Mineralizace = rozklad organické hmoty na výchozí anorganické složky podílejí se především obligátně aerobní mikroorganismy uvolňuje se CO 2, H 2 O, N 2, (NO 2-, NO 3-, NH 3 ), S. podléhá jí zpravidla % organické hmoty především v lehkých půdách s převahou nekapilárních pórů Mineralizace Význam mineralizace: uvolnění energie pro mikrobiální činnost uvolnění živin z organických vazeb (N, P) tvorba CO 2 rozklad toxických látek Typy mineralizace: primární mineralizace nespecifických organických látek sekundární mineralizace již humifikovaných složek Ochrana půdní OH před mineralizací Nechráněný půdní C CO 2 Kvalita opadu Nechráněný půdní C Přeměna agregátů C vázaný v mikroagregátech CO 2 Adsorpce/desorpce C vázaný na prach a jíl CO 2 Fyzikálně chráněný půdní C Kondenzace, komplexace Nehydrolyzovatelný půdní C CO 2 Biochemicky chráněný půdní C 59

62 Ulmifikace (rašelinění) probíhá v prostředí s nadbytečnou vlhkostí a nedostatkem O 2 omezená chemická přeměna, neúplný rozklad hromadění energeticky bohatých látek slabá tvorba huminových látek, tvorba bitumenů Typy rašeliny: vrchovištní méně HK, více hemicelulosy a bitumenů v oligotrofním prostředí slatinná více HK, méně hemicelulosy a bitumenů v eutrofním prostředí Karbonizace = odbourávání snadno rozložitelných součástí rostlinných zbytků; ve zbylých částech dochází ke koncentraci C v karbonizované formě hlavně u větších úlomků rostlinných těl (kořenů) vzniká tzv. humusové uhlí proces není příliš prozkoumán Humifikace = tvorba složitějších a stabilnějších látek aromatické povahy nutné střídání aerobních a anaerobních podmínek přítomnost vícemocných kationtů (Ca 2+ ), ph Stadia humifikace: počáteční převládá rozklad biologický proces závěrečné převládá syntéza převládají fyzikálně-chemické a chemické reakce 60

63 Ligninová teorie tvorby humusu LIGNIN Rozklad mikroorganismy ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ JEDNOTKY Další rozklad mikroorganismy ZBYTEK demetylace oxidace kondenzace s N sloučen. (tj.proteiny) HUMINOVÉ KYSELINY FULVOKYSELINY Ligninová teorie tvorby humusu Důvody pro platnost LT: Podobnost ligninu a huminových kyselin: omezená rozložitelnost většinou bakterií a hub částečná rozpustnost v alkoholu a pyridinu rozpustnost v louzích a srážení v kyselinách obsah -OCH 3 kyselý charakter, výměna bází varem v louhu lignin přejde v HK obsahující metoxyl HK mají vlastnosti podobné oxidovanému ligninu Námitky proti platnosti LT: Nejvíce HK je v obvykle půdách s nízkým vstupem ligninu Polyfenolová teorie tvorby humusu (Stevenson, 1994) LIGNIN rozklad mikroorganismy CELULOSA A JINÉ NELIGNINOVÉ SUBSTRÁTY FENOLICKÉ ALDEHYDY A KYSELINY mikrobiální přeměna další rozklad mikroorganismy a oxidace na CO 2 POLYFENOLY fenoloxidáza CHINONY aminosloučeniny aminosloučeniny HUMINOVÉ KYSELINY FULVOKYSELINY 61

64 Tjurinovo schema rozdělení půdních organických látek Huminové látky: nerozpustné v alkáliích: humin (H); humusové uhlí (HU) rozpustné v alkáliích: huminové kyseliny (HK) hymatomelanové kyseliny (HY) fulvokyseliny (FK) Nehuminové látky: jednodušší: aminokyseliny a jiné org. kyseliny, jednoduché cukry složitější: celulosa, lignin, proteiny, hemicelulosy Látky rozpustné v organických rozpouštědlech (lipofilní látky) pryskyřice, bitumeny, vosky (lipidy) Huminové látky organické látky polymery vytvořené humifikací, specifické pro půdu skupiny látek s podobným chemickým složením a vlastnostmi nejedná se o chemicky definované sloučeniny struktura: aromatická složka hydrofobní alifatická složka hydrofilní Nová teorie huminových látek: nejedná se o velké polymery, ale o asociace menších molekul Extrakce huminových látek z půdy ZEMINA alkalická extrakce NaOH, Na 4 P 2 O 7 (ph ~12) Neextrahovatelný podíl Alkalický extrakt (H, HU) (HK, FK, HY) okyselení na ph 1-2 Sraženina (HK + HY) Roztok (FK) extrakce alkoholem Sraženina (HK) alkalická extrakce + elektrolyt Alkoholový extrakt (HY) Sraženina (šedé HK) Roztok (hnědé HK) 62

65 Fulvokyseliny = sloučeniny extrahovatelné zředěnými kyselinami a ty, které zůstanou v roztoku po vysrážení HK z alkalického extraktu aromatický charakter s převahou bočních alifatických řetězců snadno disociují, silně hydrofilní ochranné koloidy působením elektrolytů se nesrážejí rozpustné ve vodě i jejich soli s Na +, NH 4+, Mg 2+, Ca 2+, Fe 2+ s Fe 3+, Al 3+ (R 2 O 3 ) tvoří cheláty přispívají k rozkladu minerálního podílu půdy žlutá až oranžově hnědá barva KVK až 700 mmol(+)/100 g Fulvokyseliny Charakteristické funkční skupiny: - COOH fenolické -OH, méně alkoholové metoxyl (-OCH 3 ) Huminové kyseliny = organické látky vysrážené kyselinami z alkalického extraktu výrazně aromatický charakter méně hydrofilní než FK rozpustné v alkáliích, nerozpustné ve vodě soli s Na +, K +, NH 4+ dobře rozpustné soli s Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+, Al 3+ těžko rozpustné nejsou agresivní vůči minerálnímu podílu půdy žlutohnědá až černošedá barva KVK: mmol(+)/100 g 63

66 Huminové kyseliny Charakteristické funkční skupiny: - COOH - OH (fenolické i alkoholové) s postupující polymerací ubývá metoxylových skupin ve větší míře C=O Huminy = organické látky neextrahovatelné zředěnými louhy mají pevnou vazbu s minerálním podílem směsi látek rozličného charakteru Význam v půdě: tmel při tvorbě půdní struktury tvorba organominerálního komplexu menší význam pro chemismus půdy Hlavní rozdíly mezi huminovými látkami Fulvokyseliny Huminové kyseliny Huminy Světležlutá Žlutohnědá Tmavěhnědá Šedočerná Černá % 48% vzrůst intenzity barvy vzrůst intenzity polymerace vzrůst molekulární hmotnosti vzrůst obsahu uhlíku pokles obsahu kyslíku pokles výměnné kyselosti pokles stupně rozpustnosti % 30% 64

67 Hodnocení kvality humusu Stupeň polymerace: poměr HK:FK optické vlastnosti (VIS, IR) elektroforetické chování Stupeň humifikace: poměr C:N densitometrická separace mikromorfologie frakcionace na látkové skupiny: C HK + CFK + C C tot H Hodnocení kvality humusu Barevná charakteristika: barevný kvocient: Q 4/6 = A 400 /A 600 ROZPUSTNÉ ORGANICKÉ LÁTKY = DOM (dissolved organic matter) nejmobilnější frakce organické hmoty Význam DOM: potenciální zdroj (živin, energie) pro organismy transport látek v půdě koloběh C, N, P stabilizace koloidů a agregátů zvětrávání a půdotvorné procesy indikátor stavu půdy 65

68 Zdroje a ztráty DOM Hlavní zdroje: rostlinné zbytky stabilní humus kořenové exudáty mikroorganismy Vedlejší zdroje: organická hnojiva výměšky živočichů Ztráty (propady): vymytí z půdy (~80%) mineralizace (dýchání) zabudování do biomasy adsorpce zejména v hlubších vrstvách Al a Fe (hydr)oxidy, jíly kompetice s anionty Dynamika DOM v půdě Rhizosféra IMOM = imobilní organická hmota F = tok D = difuse q = změna stavu Faktory obsahu DOM v půdě množství a složení zdrojů DOM druh porostu poměr C/N biologická aktivita (zvláště houbové organismy) adsorpce a desorpce ph půdy složení půdního roztoku (SO 2-4, PO 3-4 ) teplota vlhkost, srážky, promývání půdy promrzání a tání obdělávání půdy, hnojení odlesnění / zalesnění 66

69 Složení DOM velmi proměnlivé!!! uhlovodíky jednodušší cukry fenolické sloučeniny aminokyseliny, alifatické a aromatické kyseliny (jablečná, citronová, šťavelová ) huminové látky (fulvokyseliny) Druhy DOM Charakteristika DOM I DOM II DOM III Velikost pórů (µm) < 0,2 0,2-6 > 6 Typ vody adsorpční, kapilární kapilární gravitační, kapilární Sací tlak (KPa) < až Transportní mechanismus difuse difuse > proudění proudění > difúze Metabolismus abiotický, mikrobiální biotický exoenzymy (hetrotrof.) Rychlost přeměny pomalá střední rychlá Vliv sucha slabý střední silný Běžný podíl (%) Druhy DOM WEOM = vodorozpustná část organické hmoty 67

70 Transport látek prostřednictvím DOM závisí na: podílu látky poutaném na DOM Transport látek prostřednictvím DOM závisí na: podílu látky poutaném na DOM na pohyblivosti vzniklých komplexů či sloučenin Vazby na DOM: iontová výměna protonace vodíkové můstky van der Waalsovy síly ligandová výměna KOLOIDNÍ SYSTÉM PŮDY Koloid = částice o velikosti 1nm až 1 (2) µm Minerální koloidy v půdě: jílové minerály primární silikáty nerozpustné alumoferrifosfáty polymerní kyselina křemičitá hydratované (seskvi)oxidy Al, Fe, Mn Organické koloidy: humusové látky a slizy bílkoviny lignin 68

71 Druhy koloidů podle způsobu disociace Elektronegativní (acidoidy): X - H... disociují H + mají záporný náboj, adsorbují kationty v kyselém prostředí koagulují (vysrážení), v alkalickém peptizují převládají v půdách (jíly, HL, H 2 SiO 3 ) Elektropozitivní (bazoidy): X - OH... disociují OH - mají kladný náboj, adsorbují anionty v alkalickém prostředí koagulují, v kyselém peptizují seskvioxidy (R 2 O 3 ) Amfoterní (amfolytoidy): X O-H... disociují H + nebo OH - chování podle prostředí hydroxylované seskvioxidy Druhy koloidů podle vztahu k vodě Hydrofobní: málo stabilní, snadno se srážejí Hydrofilní: silně hydratované, stabilnější (FK, H 2 SiO 3 ) Ochranné koloidy: povrchová vrstva koloidních látek měnící přirozený charakter koloidu Koloidní micely humusové látky nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční) COO + - -COO + - -O - jádro -O + - -COO nepohyblivá část kompenzační vrstvy difusní část kompenzační vrstvy 69

72 Koloidní micely jílové minerály nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční) SiO nepohyblivá část kompenzační vrstvy difusní část kompenzační vrstvy Koloidní micely seskvioxid Fe nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční) FeO - + Fe 2O 3.nH 2O - FeO FeO + FeO + FeO + FeO nepohyblivá část kompenzační vrstvy difusní část kompenzační vrstvy Fe(OH) 3 (FeO) + + H 2 O + OH - Koloidní micely Průběh fázového potenciálu na Sternově dvojvrstvě 70

73 Elektrokinetický potenciál ξ-potenciál - vzniká odtržením difúzní části kompenzujících iontů v elektrické dvojvrstvě koloidní micely při pohybu vysoké hodnoty ξ peptizace (sol) ξ = 0 = isoelektrický bod (IB) koagulace (gel) ζ + Flokulační síla : Me + <Me 2+ <Me 3+ <Me Li + <Na + <K + <NH 4+ < Rb + <Cs + Mg 2+ <Ca 2+ <Sr 2+ <Ba 2+ c Stabilita koloidních systémů SOL koagulace peptizace GEL Koloidní systém je stabilní ve stavu sol či koloidní roztok (stabilní koloidní systém nestabilní půdní struktura) Stabilitu koloidů zvyšují: jednomocné kationty (hlavně Na + ) nízká koncentrace půdního roztoku Stabilitu koloidů narušují: vícemocné kationty (Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+ ) vysoká koncentrace půdního roztoku Význam půdních koloidů fyzikální vlastnosti půdy struktura soudržnost a přilnavost obdělávání půdy vzlínání vody (elektrokapilarita) chemické vlastnosti půdy: půdní reakce sorpce půdotvorné procesy transport látek Využití koloidních vlastností: zlepšení půdní struktury remediace půdy (elektrokinetické jevy) výživa rostlin 71

74 PŮDNÍ REAKCE = koncentrace (aktivita) kyselých iontů (H + ) Formy půdní reakce: aktuální aktivní půdní reakce (ph) potenciální výměnná reakce (ph, mmol/100 g) hydrolytická reakce (mmol/100 g) Aktivní půdní reakce = koncentrace (aktivita) kyselých iontů H + (H 3 O + ) ve vodném výluhu nebo suspenzi půdy PŮDNÍ ROZTOK EXTRAKT K K + H + K K + H + O Mg 2+ H + O Mg 2+ H + L H + L H + O H + + H 2 O O H + + H 2 O I Ca 2+ I Ca 2+ D Ca 2+ D Ca 2+ stanovuje se pouze v jednotkách ph - ph H2O Výměnná půdní reakce = schopnost půdy měnit reakci roztoků neutrálních solí 0,2M KCl, 1M KCl, 0,02M CaCl 2 PŮDNÍ ROZTOK EXTRAKT K K + K K + + kationty O Mg 2+ O K + + Cl - L H + H + L K + O H + H + + n K + Cl - O K + + n H + Cl - I Ca 2+ I K + D Ca 2+ D K + stanovuje se potenciometricky v jednotkách ph - ph KCl titračně výměnná acidita - V a (mmol/100g) 72

75 Hydrolytická půdní reakce = schopnost půdy měnit reakci roztoků hydrolyticky štěpitelných solí octan sodný nebo vápenatý PŮDNÍ ROZTOK EXTRAKT K K + K Na + O Mg 2+ O Na + + octany L H + H + L Na + + n CH 3 COOH O H + H + + n CH 3 COONa O Na + I Ca 2+ I Na + D Ca 2+ D Na + stanovuje se pouze titračně hydrolytická acidita - H a (mmol/100g) Hodnocení půdní reakce Reakce silně kyselá kyselá slabě kyselá neutrální slabě alkalická alkalická silně alkalická ph H2O < 4,9 4,9-5,9 6,0-6,9 7,0 7,1-8,0 8,1-9,4 > 9,4 ph KCl < 4,5 4,5-5,5 5,6-6,5 6,6-7,2 - > 7,2 - Hodnocení půdní reakce Acidita velmi silná silná střední mírná slabá velmi slabá V a (mmol/100g) > 1,14 1,14-0,57 0,56-0,40 0,39-0,23 < 0,23 - H a (mmol/100g) > 1,37 1,37-0,92 0,91-0,63 0,62-0,29 0,28-0,17 < 0,17 73

76 Příčiny kyselé půdní reakce mateční hornina vyluhování půd sloučeniny síry a dusíku (atmosférická depozice) využití půdy, druh porostu tvorba CO 2 organické látky fulvokyseliny huminové kyseliny jednodušší organické kyseliny, aminokyseliny hnojení fyziologicky kyselá hnojiva jílové minerály Faktory reakce půdního roztoku Suchá depozice Mokrá depozice Biologická činnost -CO 2 Organická hmota H + půdní roztok Hydroxypolymery Příjem a uvolnění organismy Transportní procesy Zvětrávání minerálů Alkalita půd přítomnost solí zejména karbonátů CaCO 3, MgCO 3 Na 2 CO 3 Na 2 CO H 2 O (soda, natrit) Na 2 CO 3. H 2 O (thermonatrit) NaHCO 3 nasycenost sodíkem u nás málo 74

77 Význam půdní reakce fyzikální vlastnosti půdy - struktura chemické vlastnosti půdy: rozpustnost, mobilita a přijatelnost živin a rizikových prvků sorpce KVK a nasycenost sorpčního komplexu mobilita chelátů biologické vlastnosti půdy složení a aktivita mikroorganismů růst a vývoj rostlin přímé působení citlivost nepřímé působení rozpustnost živin a rizikových prvků půdotvorné procesy zvětrávání minerálů transport a ukládání látek Význam půdní reakce Ústojná (pufrační) schopnost půd = schopnost půdy bránit se změnám půdní reakce Ústojné systémy v půdě humusové látky výměna iontů reakce funkčních skupin (-COOH, -OH) jílové minerály, gely kyseliny kremičité, gely seskvioxidů výměna iontů reakce okrajových OH skupin karbonáty a H 2 CO 3 fosforečnany ionty Al 75

78 Ústojná (pufrační) schopnost půd Úprava půdní reakce Úprava kyselé reakce: vápnění sycení půdy Ca 2+ (Mg 2+ ) vápenec, dolomit, pálené vápno pro podorničí možno použít sádrovec vhodné hnojení, druh porostu Úprava alkalické reakce: sádrovec síra, kyselina sírová sírany Al, Fe polysulfid Ca PŮDNÍ ROZTOK = vodná kapalná fáze půdy otevřený systém velmi proměnlivé složení Složení: rozpuštěné soli Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, NH 4 + HCO 3-, Cl -, SO 4 2-, NO 3 - DOM rozpustné komplexy, cheláty koloidní částice rozpuštěné plyny (O 2, CO 2 ) 76

79 Anorganické složky půdního roztoku Kategorie Kationty Anionty Neutrální Hlavní složky ( mol/l) Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + HCO 3-, Cl -, SO 4 2-, NO 3 - Si(OH) 4 0 Vedlejší složky ( mol/l) Fe 2+, Mn 2+, Zn 2+, Cu 2+, NH 4+, Al 3+ H 2 PO 4-, F -, HS - B(OH) 3 0 Ostatní (<10-6 mol/l) Cr 3+, Ni 2+, Cd 2+, Pb 2+ CrO 4 2-, HMoO 4 + Střední koncentrace běžné v půdách. Organické složky půdního roztoku Zdroj Hlavní složky ( mol/l) Přírodní Karboxylové kyseliny, aminokyseliny, jednoduché cukry Antropogenní Vedlejší složky (<10-5 mol/l) Uhlovodíky, fenoly, proteiny, alkoholy, sulfhydryly Herbicidy, fungicidy, insekticidy, PCB, PAH, ropné uhlovodíky, rozpouštědla, surfaktanty Střední koncentrace běžné v půdách. Faktory složení půdního roztoku vlhkost půdy zdroje přirozené antropogenní ph půdy rozpouštění / precipitace sorpce / desorpce vymývání / vzlínání podzemní a povrchový odtok / přítok příjem a vylučování rostlinami biologická aktivita výpar / kondenzace 77

80 Význam půdního roztoku pohyb látek průběh chemických reakcí přístupnost látek pro organismy živiny vzduch prostředí pro organismy půdotvorné procesy Transport látek na rozhraní kapalné a pevné fáze 1 transport půdním roztokem 2 transport povrchovým kapalným filmem 3 transport makropórem 4 difuse na povrchu částic 5 difuse okludovaného sorbátu v mikropóru 6 difuse pevnou částicí Kapalina Film Pevná fáze PŮDNÍ SORPCE = zvýšení koncentrace látky na fázovém rozhraní ve srovnání s okolním prostředím poutání látek v půdě důsledek nevyvážených sil na povrchu sorbentu Druhy: adsorpce absorpce Účastníci děje: sorbent látka sorbující (půdní částice) sorbát látka poutaná solvent rozpouštědlo (půdní roztok) 78

81 Mechanismy sorpce v půdě Mechanická sorpce: mechanické zadržení v pórech a dutinách hrubě dispersní částice, agregáty, sraženiny, molekuly Fyzikální sorpce: povrchové jevy na fázovém rozhraní především molekuly Fyzikálně chemická (výměnná) sorpce: iontová výměna mezi povrchem částic a roztokem nejvýznamnější ionty, v našich půdách hlavně kationty Mechanismy sorpce v půdě Chemická sorpce: tvorba málo rozpustných nebo nerozpustných sloučenin (precipitace) řízena produktem rozpustnosti Biologická sorpce: poutání v tělech rostlin a mikroorganismů výrazně selektivní zejména živiny (NO 3- ) Výměnná sorpce v půdě Sorpční půdní komplex: soubor půdních složek schopných poutat kationty: organické složky - humus minerální složky jílové minerály nese záporný náboj: permanentní (konstituční) isomorfní substituce v jílových minerálech variabilní disociace hydroxylových a karboxylových skupin na minerálech i org. hmotě - závisí na ph: -OH -O - + H + 79

82 Výměnná sorpce v půdě Kationtová výměnná kapacita (KVK, CEC, T): množství kationtů, které je půda schopna poutat udává se v mmol(+).100g -1, cmol(+).kg -1, mmol(+).kg -1 potenciální při ph 7 nebo vyšším efektivní při skutečném ph půdy Sorpční půdní komplex T = KVK = kationtová výměnná kapacita S = suma bazických kationtů H + = výměnný vodík (H a ) V = stupeň nasycení sorpčního komplexu bazickými kationty T = KVK = S + H + (mmol(+).100g -1 ) V = S/T. 100 (%) NH 4 + H Mg Al 3+ Na S + - T - H H K H + Ca 2+ K + Kationtová výměnná kapacita Hodnocení (ČR): 8-12 mmol(+).100g -1 nízká až velmi nízká mmol(+).100g -1 střední mmol(+).100g -1 vysoká > 30 mmol(+).100g -1 velmi vysoká Jednotlivé složky půdy (mmol.100g -1 ) Kaolinit 3-12 HK Illit FK Vermikulit Montmorillonit Chlorit

83 Nasycenost sorpčního komplexu Hodnocení: Sorpční komplex V (%) plně nasycený nasycený slabě nasycený nenasycený extrémně nenasycený < 30 Kationtová výměnná kapacita Faktory výměny kationtů oxidační číslo Me + < Me 2+ < Me 3+ < Me 4+ postavení v lyotropní řadě Li + < Na + < K + < NH + 4 < Rb + < Cs + < H + Mg 2+ < Ca 2+ < Sr 2+ < Ba 2+ iontový poloměr koncentrace a aktivita v roztoku charakter sorbentu pořadí 81

84 Selektivita sorpce (specifická sorpce) při biologické sorpci při sorpci ze směsi Příčiny (v případě sorpce iontů): viz faktory sorpce Cl - < NO 3 - specifická vazebná místa Význam: výživa rostlin (hnojení) zasolení půdy transport kontaminace půdy Fixace kationtů = trvalé zadržení iontu v dutině podmíněno nábojem v tetraedrové vrstvě závisí na iontovém poloměru týká se K +, NH 4 + r = 0,14 nm Fixace K + : úbytek rozpustné, přístupné formy v půdách až 1,5-4,0 mmol.100g -1 Fixace NH 4+ : za vlhka menší až 19 mg NH 3 /kg půdy NH 4+ chráněn před nitrifikací Na + K + NH + 4 Ca 2+ Mg 2+ Fe 2+ Fe 3+ Al 3+ 0,098 nm 0,133 nm 0,143 nm 0,104 nm 0,074 nm 0,080 nm 0,067 nm 0,057 nm Sorpce aniontů chemosorpce většinou fosforečnany, sírany, uhličitany biologická sorpce dusičnany, fosforečnany výměnná sorpce málo 82

85 Sorpce molekul a slabých elektrolytů zpravidla slabé síly, složitější děje Faktory: kvalita sorbentu povrch, náboj kvalita sorbátu velikost náboj, povrch koncentrace sorbátu afinita doba interakce teplota Způsoby studia sorpce molekul a slabých elektrolytů Kinetika sorpce: množství sorbátu (rychlost sorpce) v závislosti na čase zjišťuje se doba pro dosažení rovnováhy (popř. rychlost) Statika sorpce: sorpce po dosažení rovnováhy, při konstantní teplotě adsorpční isotermy závislost adsorbovaného množství na rovnovážné koncentraci Freundlichova isoterma a = k.c 1/N Langmuirova isoterma k c a = amax 1+ k c c 1 = a k a + c max a max Freundlichova isoterma a = k.c 1/N 83

86 Langmuirova isoterma c 1 = a k a + c max a max REDOX PROCESY V PŮDĚ A.Ox + B.H + + C.e - D.Red + E.H 2 O Ox oxidovaná složka, Red redukovaná složka A, B, C, D stechiometrické koeficienty Př.: 4Fe (3+) (OH) H + + 4e - 4Fe H 2 O CH 2 O + H 2 O CO 2 + 4H + + 4e - Rovnovážná konstanta: K = [(Red) D.(H 2 O) E ]/[(Ox) A.(H + ) B.(e - ) C ] log K = D.log(Red) A.log(Ox) B.log(H + ) C.log(e - ) Pro B = C = 1, D = A, (Red) = (Ox) platí: log K = pe + ph Redox procesy v půdě Vyjádření oxidačně redukčního stavu půdy: Záporný logaritmus aktivity elektronů: pe = - log(e - ) rozsah -6 až +12 Redox potenciál: Eh [V, mv] Pro B = C = 1, D = A, (Red) = (Ox) platí: Eh [V] = 0,059 pe Popis celého systému: pe + ph Možné hodnoty v půdě: 0 (1 atm H 2 ) 20,78 (1 atm O 2 ) 84

87 Redox procesy v půdě Eh ph diagram Redox procesy v půdě pe phdiagram Redox systémy v půdě Silně oxidační: nízká aktivita e - kladné a vysoké Eh i pe při dobrém provzdušnění půdy Silně redukční: vysoká aktivita e - záporné a nízké Eh i pe v dlouhodobě zamokřené půdě Oxidace musí být v rovnováze s redukcí!!! 85

88 Redox potenciál Eh 450 až 800 mv: dostatek O 2 aktivní oxidace, nitrifikace rychlý rozklad organické hmoty Eh 0 až 450 mv: hypoxie, nedostatek O 2 redukce Fe(OH) 3, dusičnanů velmi pomalý rozklad organické hmoty Eh -300 až 0 mv: anoxie, naprostý nedostatek O 2 rozklad organické hmoty anaerobní fermentací redukce síranů, tvorba H 2 a CH 4 Redox systémy v půdě Oxidační činidla v půdě Aerobní podmínky: O 2 Anaerobní podmínky: plynný O 2 vyčerpán při Eh mv jiné akceptory elektronů: NO 3 - Fe 3+ Mn 4+ S 6+ 86

89 Redox systémy Oxidované a redukované formy prvků Prvek Normální forma v oxidovaných půdách Redukované formy v zamokřených půdách Uhlík CO 2,C 6 H 12 O 6 CH 4,C 2 H 4,CH 3 CH 2 OH Dusík NO - 3 N 2,NH + 4 Síra SO 2-4 H 2 S, S 2- Železo Fe 3+ (oxidy) Fe 2+ Mangan Mn 4+ (oxidy) Mn 2+ Oxidované a redukované formy prvků Oxidovaná forma Redukovaná forma Eh (mv), při němž dochází ke změně formy O 2 H 2 O 380 až 320 NO 3- N až 220 Mn 4+ Mn až 180 Fe 3+ Fe až 80 SO 2-4 S až -170 CO 2 CH až

90 Stabilitní diagramy - Mn Stabilitní diagramy - As Vliv redox podmínek na rozpustnost Redox senzitivní prvek Formy málo rozpustné Formy vysoce rozpustné N NH + 4 NO - 3 S S 0, S 2- SO 2-4 Fe Fe 3+ Fe 2+ Mn Mn 3+, Mn 4+ Mn 2+, MnO - 4 Cr Cr 3+ CrO 2-4, Cr 3+ komplexy 88

91 CHEMICKÁ ROVNOVÁHA V PŮDĚ Význam: speciace prvků mobilita a přijatelnost průběh chemických reakcí rozdělení prvků mezi jednotlivé fáze půdy Hlavní faktory: složení a charakter pevné fáze půdy minerální podíl organická hmota (včetně potenciální DOM) složení půdního roztoku ph půdy redox potenciál Chemická rovnováha v půdě Složitost: interakce mezi fázemi půdy půdní roztok je složitá směs látek souběžně mohou probíhat různé procesy adsorpce/desorpce (různé mechanismy) rozpouštění/precipitace tvorba komplexů různé kombinace sloučenin vliv půdní organické hmoty transport látek organismy Důsledek: nelze jednoduše aplikovat geochemické modely rovnováhy Chemická rovnováha v půdě Produkty rozpustnosti: Uhličitany: K SO = (Me 2+ )(CO 3 2- ) -log K SO : Pb 13,1 Cd 11,7 Fe 10,7 Mn 10,4 Zn 10,2 Ca 8,42 Sulfidy: K SO = (Me 2+ )(S 2- ) -log K SO : Hg 52,1 Cu 36,1 Pb 27,5 Cd 27,0 Zn 24,7 Fe 18,1 Mn 13,5 89

92 Chemická rovnováha v půdě Produkty rozpustnosti: Oxidy a hydroxidy: K SO = (Me n+ )(OH - ) n -log K SO : Fe 3+ 39,0 Al 3+ 31,2 Hg 2+ 25,4 Cu 2+ 20,3 Zn 2+ 16,9 Pb 2+ 15,3 Fe 2+ 15,2 Cd 2+ 14,4 Mn 2+ 12,8 Mg 2+ 11,2 Chemická rovnováha v půdě Rozpustnost fosforečnanů Ca, Fe a Al log H 2 PO 4 - nebo HPO 4 2- ph Chemická rovnováha v půdě Komplexy Fe 3+ v rovnováze s půdním Fe log aktivity ph 90

93 Chemická rovnováha v půdě Molární podíl specií EDTA v půdě za přítomnosti Zn 2+, Fe 3+, Ca 2+, Mg 2+ a H + molární podíl EDTA ph Chemická rovnováha v půdě Iontová spojení Hydrolýza vícemocných iontů Plyn - voda Iontová výměna Sorpce Minerál - roztok Krystalizace minerálů µs s min h dny Časový rozsah měsíce roky tisíce let PŮDNÍ ORGANISMY = živá složka půdy živočišná rostlinná Edafon: soubor organismů přítomných v půdě celými těly migrace, rychlejší množení (mikroorganismy) dynamičtější skupina Živé orgány vyšších rostlin: různorodý materiál doplňování humusotvorného materiálu 91

94 Třídění edafonu podle R/Ž říše Fytoedafon (flóra): řasy, bakterie, houby, mikromycety, aktinomycety Zooedafon (fauna) savci, červi, prvoci, měkkýši Třídění edafonu podle velikosti Makroedafon: krtci, hraboši, křečci Mesoedafon 80-0,2 mm červi, měkkýši, členovci Mikroedafon < 0,2 mm bakterie, prvoci, sinice, řasy, aktinomycety, Třídění edafonu podle velikosti 92

95 Třídění edafonu mesoedafon Zastoupení organismů v orné půdě (Russel, 1973) Skupina Čerstvá hmota (t/ha) Bakterie 6,3 Houby 3,1 Prvoci 0,3 Mesoedafon (mimo háďátka) 1,8 Makroedafon (+ háďátka) 1,0 Celkem 12,5 Třídění edafonu -podle způsobu života Euedafon všechna stadia v půdě (žížala) Protedafon jen některá stadia (chroust) Hemiedafon může žít i mimo půdu (chvostoskok) Pseudedafon v půdě se jen ukrývají Tychedafon v půdě jen náhodně (např. po záplavách) 93

96 Třídění edafonu - podle výživy Autotrofní schopní fotosyntézy Heterotrofní zdrojem energie je rozklad organické hmoty saprofyti rozklad odumřelé hmoty paraziti výživa na úkor hostitele symbionti vzájemný prospěch s hostitelem (Rhizobium) Třídění edafonu - podle rozkládaného materiálu Fytofágové živá rostlinná těla Zoofágové živá živočišná těla Nekrofágové odumřelá těla živočichů Saprofágové rozkládající se ústrojné látky Třídění edafonu - podle fyziologických skupin Koloběh dusíku amonifikační Proteus, Bacterium, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Aspergillus, Trichoderma nitrifikační Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrobacter denitrifikační Bacillus, Streptomyces, Paracoccus, Pseudomonas, mikromycety diasotrofní (fixační) Clostridium, Azotobacter, Azothomonas, Rhizobium, Bradyrhizobium 94

97 Třídění edafonu - podle fyziologických skupin Koloběh uhlíku celulolytické Clostridium omelianski, Cytophaga, Cellvibrio, aktinomycety, mikromycety amylolytické Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, Aspergillus, Streptomyces pektinolytické Clostridium, Bacillus Koloběh síry sulfurikační - Thiobacillus desulfurikační - Desulfovibrio Funkce edafonu Rozkladná makroedafon transport organické hmoty, rozmělnění mesoedafon zvětšení povrchu mikroedafon vlastní rozklad Syntetická autotrofní organismy heterotrofní organismy Chemické složení koprolitů (Russel, 1973) Složka Jednotka Zemina Koprolity výměnný Ca mg.kg výměnný Mg mg.kg výměnný K mg.kg přístupný P mg.kg celkový N % 0,246 0,358 N-NO - 3 mg.kg -1 4,7 21,9 celkový C % 3,35 5,17 ph H2O 6,4 7,0 95

98 Význam edafonu přeměna látek (včetně cizorodých) rozklad a syntéza oxidace a redukce přeměna energie chemismus půdy tvorba reaktivních látek ovlivňování reakcí (enzymy) půdní reakce sorpce (biologická) redox fyzikální vlastnosti půdy struktura transport a koloběh látek Význam edafonu Význam rozkladných procesů v biogeochemickém koloběhu Atmosféra CO 2 N 2, N 2 O, NH 3, H 2 S Biosféra Pedosféra Rostlinný opad Půdní humus Rostliny Ionty živin (např. NH 4+, NO 3-, SO 4 2-, PO 4 3- ) Hydrosféra Podzemní voda 96

99 Rychlost rozkladu dny -kořenové vlášení roky - silné kořeny desetiletí -dřevo Omezení rozkladu: nízké teploty zatopení vodou nízké ph Roční míra rozkladu: borovice severské (horské) podnebí 2% borovice mírné klima 25 % javor mírné klima 50 % tropický deštný prales 400 % Povrchový rozklad v průměru 5x pomalejší než podpovrchový. Některé konečné produkty rozkladu v půdě Produkt CO 2 CH 4 NH 3 NO 3 - N 2 O Tvorba aerobní rozklad OH heterotrof. organismy anaerobní rozklad OH metanogeny amonifikace nitrifikace nitrifikace, AN rozklad Využití fotosyntéza substrát metanotrof. bakterií živina živina, redukce mikroorganismy Pozn. skleníkový plyn stabilní za nepřít. O 2, skleník. plyn snadná oxidace na NO - 3 vliv na kvalitu vody vliv na ozón SO 4 2- aerobní rozklad OH živina, redukce H 2 S anaerobní rozklad, redukce SO 4 2- substrát pro mikroorganismy vliv na kvalitu vody Faktory ovlivňující složení a činnost edafonu složení půdy minerální složení, zrnitost organická hmota vlhkost provzdušnění půdní reakce redox potenciál sorpce v půdě teplota rostliny kontaminace půdy 97

100 Nároky mikroorganismů na ph prostředí Aktinomycety 10 tolerance k alkalitě většina bakterií většina hub 7 ph půdy Bakterie oxidující S (Thiobacillus) 2 tolerance k aciditě Půdní enzymy Vnitrobuněčné: živé buňky dormantní buňky buněčný odpad Mimobuněčné: imobilizované enzymy volné enzymy RHIZOSFÉRA = tenká vrstva půdy obklopující kořeny rostlin Rozdíly od volné půdy: chemické složení obsah a složení organické hmoty struktura půdy nižší ph, nižší Eh zvětrávání biologická činnost vyšší obsah CO 2 dynamika Působení kořenů: příjem a výdej vody dýchání exudace organických látek příjem a vylučování anorganických látek živiny toxické látky 98

101 Rhizosféra SP Rhizosféra Možnosti ovlivnění rhizosféry Živiny N, P, S K, Ca, Mg mikroživiny Bakterie/houby Mykorrhiza Přídavky Kyseliny Vápnění Organická hmota Syntetické cheláty Přijatelnost živin Exudáty Protony, org. kyseliny Phytosiderofory Enzymy Půdní chemismus ph, redox Humus Přístupnost a příjem prvků 99

102 VZNIK A VÝVOJ PŮDY klimatický faktor biologický faktor člověk voda mateční hornina zvětrávání půdotvorný substrát půdotvorný proces zvětrávání půda Podmínky půdotvorného procesu: - čas - reliéf PŮDOTVORNÉ PROCESY Obecné mikroprocesy: nespecifické základní procesy v půdě např. rozpouštění, sorpce, vymývání lze je klasifikovat jako: nárůst, přidání (1) ztráta (2) přeměna, transformace (3) transport, translokace (4) Speciální procesy: kombinace půdních mikroprocesů vedoucí ke vzniku určitých horizontů nebo znaků v půdě Makroprocesy: komplexy speciálních procesů vedoucí k vývoji skupin půdních typů Procesy přemístění látek mezi půdou a okolím Eroze (2): odstranění látek z povrchu půdy vodní eroze větrná eroze Kumulace (1): přidávání minerálních částic na povrch půdy Sedimentace (1) Bioakumulace (1): homadění organické hmoty v půdě 100

103 Procesy změny organizace půdní hmoty Tvorba struktury (3): vznik pedů biogenní kryogenní hydrogenní - objemové změny chemogenní technogenní Procesy mísení půdního materiálu Pedoturbace (4): mechanické mísení půdy bioturbace biologická činnost, polomy vertické procesy (hydroturbace, argilipedoturbace) objemové změny jílu technoturbace zpracování (kultivace) půdy kryoturbace -mráz Kryoturbace 101

104 Procesy přeměny organické hmoty Tvorba nadložního humusu (3): mor, moder, mull Humifikace (3): tvorba humusu Mineralizace (3): rozklad organické hmoty Paludizace (rašelinění) (3): hromadění org. hmoty a přeměna na rašelinu Melanizace (1, 4): tmavnutí půdního materiálu příměsí organických látek Procesy přeměny minerální hmoty Zvětrávání (3): rozklad a přeměna půdních minerálů tvorba jílu Hnědnutí (braunifikace, rubifikace) (3): uvolňování Fe z primárních minerálů hydratací a hydrolýzou a jeho disperze v půdě kyselé prostředí, nepřítomnost CaCO 3 Andosolizace (3): uvolňování Al z vulkanických popelů kyselé podmínky, omezený rozklad OH Procesy transportu látek z určité části půdního profilu Eluviace (2, 4): ochuzení určité části půdního profilu (obecně) Vyluhování (2, 4): vymývání látek desalinizace rozpustné soli debazifikace (acidifikace) bazické kationty dekalcifikace CaCO 3 dealkalizace Na + cheluviace cheláty OL a seskvioxidů 102

105 Procesy transportu látek do určité části půdního profilu Iluviace (1, 4): obohacení určité části půdního profilu (obecně) Akumulace (1, 4): hromadění látek v určité části profilu salinizace rozpustné soli (zasolování) kalcifikace CaCO 3 alkalizace výměnný Na + Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Illimerizace (lesivace, lesiváž) (3, 4): přesun koloidů jílových minerálů (bez jejich destrukce) spolu s minerály železa půdním profilem zahrnuje eluviaci a iluviaci slabě kyselá reakce, nedostatek vícemocných kationtů vede ke vzniku obohaceného luvického (argilického) horizontu Závislost ξ potenciálu koloidů na koncentraci kompenzujících iontů ζ ξ -c křivky IB = isoelektrický bod koagulace (x peptizace) 0 IB IB c 103

106 Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Soloncování (3, 4): přesun koloidů jílových minerálů (bez jejich destrukce) spolu s minerály železa půdním profilem zahrnuje eluviaci a iluviaci alkalická reakce, nasycenost Na + obdoba illimerizace vede ke vzniku obohaceného natrického horizontu Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Podzolizace (silikace) (3, 4): uvolnění a přesun Al a Fe (seskvioxidů) spolu (?) s organickými látkami (FK) půdním profilem zahrnuje cheluviaci relativní zvýšení obsahu Si ve svrchní části profilu silně kyselá reakce (pod jehličnatými porosty) lehké půdy, výrazné promývání vede ke vzniku ochuzeného a obohaceného spodického horizontu Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Lateritizace (desilikace) (3, 4): téměř úplné zvětrání primárních minerálů chemická migrace kyseliny křemičité půdním profilem relativní zvýšení obsahu seskvioxidů Al a Fe ve svrchní části profilu v teplých oblastech (tropy, subtropy) střídání sucha a vlhka obvykle spojená s těmito procesy: feralitizace zvýšení obsahu Fe a Al přeměnou minerálů nebo přítokem feritizace zvýšení obsahu Fe alitizace zvýšení obsahu Al 104

107 Procesy zpevňování půdní hmoty Pedokompakce (utužení, zhutnění) (3): přirozené nebo technogenní Pedocementace (3, 1): vysrážení minerálů nebo stmelení půdních částic vznik ztvrdlých útvarů: krusty kalcit, sádrovec ortštejn železitý nebo organický tmel, podzolizace fragipan, duripan SiO 2 placikový horizont amorfní koloidy plintit (laterit) Fe, Mn, lateritizace Hydromorfní (oxidačně redukční) procesy Oglejení (3, 4): střídavá redukce a oxidace Fe aj. složek v důsledku povrchového zamokření vede k mramorování půdy Glejový proces (3, 4): redukce Fe aj. složek v anaerobních podmínkách pod hladinou podzemní vody modravé až zelenavé zbarvení půdní hmoty Intenzita transportních procesů Vymývání rozpustných solí Vymývání bazických kationtů Dekalcifikace Transport jílu (illimerizace) Rozpad minerálního podílu (podzolizace, lateritizace) 105

108 Základní přístupy ke klasifikaci Geografický zonální x azonální půdy Genetický podle vývoje (geneze) půd Morfologický, analytický podle zjistitelných a změřitelných vlastností KLASIFIKACE PŮDY Základní přístupy ke klasifikaci půd Geografický zonální x azonální půdy 106

109 Hlavní světové systémy Ruský a sovětský s geneticko - geografickými prvky (Dokučajev) Francouzský (Référentiel pédologique) původně velmi hierarchický (Duchaufour) zahrnuje všechny půdy světa Americký (Soil Taxonomy) důsledně rozpracovaná diagnostika zcela nová nomenklatura obtížný převod do ostatních systémů FAO WRB (World Reference Base) referenční klasifikace (IUSS/FAO/ISRIC 1998) Vývoj klasifikace půd u nás Geneticko agronomická klasifikace 60. léta Komplexní průzkum zemědělských půd odděleně se vyvíjela klasifikace lesních půd Morfogenetický klasifikační systém půd 1987 Taxonomický klasifikační systém půd ČR Prof. RNDr. Jan Němeček, DrSc., a kol., 2001 Taxonomické kategorie TKSP Referenční třídy půd (-sol) skupiny půd podle hlavních rysů jejich vývoje Půdní typy (-zem) hlavní půdní jednotky dané výskytem a sledem diagnostických horizontů Půdní subtypy představují výrazné modifikace půdních typů Variety, subvariety znaky a horizonty do hloubky cm slabý hydromorfismus, trofismus Ekologické, degradační a akumulační fáze Substrátové formy 107

110 Objekt klasifikace Půdní sonda Půdní profil Půdní horizonty Horizont Ap Horizont Bv Půdní typ: Kambizem Horizont C Přirozené půdní jednotky jsou trojrozměrné (pedony) Pedon a polypedon hornina polypedony pedon DIAGNOSTICKÉ HORIZONTY O nadložní organické horizonty (u lesních p.) A humusové (povrchové) horizonty E ochuzené (eluviální) horizonty B metamorfické horizonty, nebo obohacené (iluviální) horizonty C půdotvorný substrát R mateční hornina (D podložní hornina) 108

111 Organické horizonty min %(hm.) OL Horizonty nadložního humusu lesních půd a) Anhydrogenní horizont opadanky - L málo rozložený horizont drti (fermentační) - F částečně rozložený horizont měli (humifikační) - H silně rozložený, nerozeznatelná struktura pletiv L + F + H = O Organické horizonty Horizonty nadložního humusu lesních půd b) Hydrogenní hydrogenní horizont fibrický - Of málo rozložený hydrogenní horizont mesický - Om částečně rozložený hydrogenní horizont humusový - Oh silně rozložený, nerozeznatelná struktura pletiv Organické horizonty Rašelinné horizonty T u OR hlubší než 50 cm (ORt 10 cm, ost cm) fibrický horizont - Tf min. 2/3 nerozložené mesický horizont - Tm 1/3-2/3 rozloženy saprický horizont - Ts méně než 1/3 nerozložená humolitový horizont - Th přimísení minerálních částic 109

112 Organominerální povrchové horizonty (epipedony) minerální horizonty s obsahem OL do %hm. Anhydromorfní humózní horizonty iniciální - Ai do 5 cm humózní (lesní) - Ah do 10 cm humózní drnový Ad melanický - Am nad 10 cm, tmavý, nasycený (V M > 60 %) černický - Ac nad 30 cm, tmavý, nasycený kvalitn9 humus (Q 4/6 <4-4,5, HK/FK>1,5) Organominerální povrchové horizonty (epipedony) andický - Aa kyprý, tmavý, u andosolů tirsový As nad 30 cm, tmavý, nasycený, těžký, z bobtnavých jílů umbrický - Au nad 10 (25) cm, tmavý, silně nenasycený (V M < 20 %) nekvalitní humus (Q 4/6 >8, HK/FK<<1) koloidy ochuzený - Ahe ochrický - Ao velmi světlý, aridní oblasti molický Am, Ac nebo As při obtížích rozlišení Organominerální povrchové horizonty (epipedony) Hydrogenní humózní horizonty hydrogenní Ahn, Acn, Amn, Aun s bročky hydrogenní Ahg, Acg, Amg, Aug bez bročků zrašelinělý At OL %hm., cm 110

113 Organominerální povrchové horizonty (epipedony) Kulturní humózní horizonty orniční Ap vytvořen orbou drnový - Ad trvalý travní porost na původně lesní půdě antropický Az výrazná antropogenní činnost do hloubky cm Podpovrchové horizonty Vysvětlené, jílem nebo oxidy Fe, Mn ochuzené horizonty - E vznikají eluviací plavohnědý ochuzený Ev vybělený albický - E podzolový Ep s infiltrací humusu Eh ochuzený luvický El ochuzený soloncový - Es vybělený nodulární En nodulární novotvary (Fe, Mn bročky) hydrogenní vybělený Ew bez nodulárních novotvarů Podpovrchové horizonty Kambické (metamorfické) horizonty hnědnutí a tvorba jílu hnědý Bv amorfní Fe, tvorba jílu rubifikovaný - Br červenější (větší krystalizace Fe) pelický Bp těžký, jílovitý andický Bv výrazně kyprý 111

114 Podpovrchové horizonty Spodické horizonty sorpčně nenasycené, výměnný Al mobilní organominerální komplexy (cheláty Fe a Al) vznikají podzolizací rezivý Bvs okrový až rezivý, kyprý, bez znaků iluviace humusoseskvioxidický Bhs,Bsh rezivý až černorezivý, se znaky iluviace seskvioxidický Bs rezivý iluviální ortštejnový Bsd ztvrdlý tvorba ortštejnu Podpovrchové horizonty Luvické, jílem obohacené horizonty obohacené o jíl a minerály Fe jílové povlaky vznikají iluviací illimerizací nebo soloncováním luvický (argilický) Bt nad 15 cm šedý Bth černohnědé povlaky, iluviace i org. látek hnědý Bt hnědé povlaky degradovaný Btd jazykovitý přechod z E oglejený Btg rezivé a vybělené partie natrický Bn alkalický, vysoký obsah výměnného Na sloupkovitá struktura Podpovrchové horizonty Mramorované redoximorfní horizonty - Bm hydromorfně (oglejením) přetvořené horizonty vysvětlené partie při povrchu pedů mramorovaný Bm často z kambického horizontu mramorovaný luvický Bmt z luvického horizontu 112

115 Podpovrchové horizonty Glejové reduktomorfní horizonty - G dlouhodobě (podzemní) vodou nasycená část profilu glejový reduktomorfní Gr šedá, zelěnavě šedá až modrošedá matrice glejový oxidačněredukční Gor do 10 % oxidovaných partií (rezivých novotvarů) glejový redukčněoxidační Gro nad 10 % oxidovaných partií (rezivých novotvarů) Podpovrchové horizonty Horiz. akumulace reoxidovaných oxidů Fe, Mn okrový Bos rezivé akumulace oxidů Fe, Mn zpravidla ve svrchní části profilu Horizonty akumulace solí kalcický K obsah CaCO 3 >15 %, nad 15 cm jinak jen jako index k (např. Ck) salický S akumulace rozpustných solí Substráty a hlubší vrstvy Půdotvorný substrát C Půdní sediment M Rozpad pevné horniny Cr Pevná mateční hornina R Podložní hornina (odlišná od substrátu) - D 113

116 Diagnostické znaky vyluhování, acidifikace sorpční nasycenost trofismus minerální síla hydromorfismus znaky redukce, mramorování, noduly zasolení, soloncování vodivost, nasycenost Na fluvické znaky vrstevnatost, OL v profilu vertické znaky objemové změny jílů andické znaky amorfní minerály, Al, kyprost eroze, akumulace, překrytí antropogenní ovlivnění kontaminace, intoxikace 1. LEPTOSOLY Půdy vytvářející se z rozpadů pevných či zpevněných hornin či jejich bazálních souvrství Výrazná skeletovitost a mělkost profilu Půdní typy: Litozem - LI Ranker - RN Rendzina - RZ Pararendzina - PR Litozem LI (Nevyvinutá půda - NV) 114

117 Litozem LI (Nevyvinutá půda - NV) A h humusový (A i - iniciální) R mateční hornina Ranker RN (Nevyvinutá půda - NV) Ranker RN (Nevyvinutá půda - NV) (O) A h C r granodiorit R 115

118 Ranker kambický - RNk (O) A h (B v ) C břidlice R droba Rendzina RZ Rendzina - RZ (Rendzina - RA) A m melanický C k R k (vápenec) 116

119 Rendzina RZ Pararendzina PR (Rendzina - RA) A m (A h ) C rk R k Pararendzina pelická (na slínovci) Hloubka (cm) < 0,001 mm 40,5 56,3 46,9 < 0,01 mm 50,4 74,0 77,2 Humus (%) 2,8 1,0 0,8 HK/FK 1,2 1,0 - Karbonáty (%) 2,5 8,0 28,0 ph KCl 7,1 7,2 7,2 ph H2O 7,6 7,8 7,7 KVK (mmol(+)/100g) 28,2 27,7 22,6 V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 58,8 59,1 56,6 Fe 2 O 3 3,9 4,1 3,8 Al 2 O 3 10,3 12,2 11,1 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) > 61 47,3 76,6 0,6-34,0 7,3 8,1 19, ,7 3,3 14,

120 2. REGOSOLY Půdy vzniklé z nezpevněných sedimentů, zejména zpísků a štěrkopísků. Výrazná mineralizace. Půdní typy: Regozem - RG 118

121 Regozem RG (Drnová půda - DA) (O) A h (A p ) C Regozem RG (Drnová půda - DA) A h (A p ) C k Regozem (Veselí nadlužnicí) Hloubka (cm) < 0,001 mm 7,9 3,0 3,9 < 0,01 mm 23,2 5,8 7,8 Humus (%) 2,5 0,2 0,1 HK/FK Karbonáty (%) ph KCl 5,6 7,0 6,8 ph H2O 6,8 7,1 6,9 KVK (mmol(+)/100g) 10,9 1,3 1,1 V (%) 48,6 7,7 45,5 119

122 120

123 3. FLUVISOLY Půdy bez výrazných diagnostických horizontů, s fluvickými diagnostickými znaky, vzniklými periodickým usazováním sedimentů. Proces sedimentace. Půdní typy: Fluvizem - FL Koluvizem - KO Fluvizem FL (Nivní půda - NP) Fluvizem FL (Nivní půda - NP) (O) A h (A p ) M C 121

124 Fluvizem FL Fluvizem glejová FLq A hn M C g Fluvizem (Veselí nadlužnicí) Hloubka (cm) < 0,001 mm 6,9 7,1 8,4 < 0,01 mm 18,5 22,3 21,1 Humus (%) 2,0 1,5 1,1 HK/FK Karbonáty (%) ph KCl 5,2 5,2 5,1 ph H2O 5,9 6,0 5,8 KVK (mmol(+)/100g) 12,1 13,3 12,5 V (%) 37,2 42,9 52, ,2 10,7 0,7-0 5,3 5,9 5,8 31,0 122

125 Koluvizem KO A p A z 123

126 4. VERTISOLY Těžké půdy s vertickými diagnostickými znaky (trhliny, skluzné plochy - slickensides). Hluboký tmavý tirsový humusový horizont. Půdní typy: Smonice - SM Smonice SM (ČM smonice) A p -orniční A s -tirsový A s /C k C k VERTISOLY trhliny 124

127 VERTISOLY vertické znaky VERTISOLY vertické znaky - skluzné plochy (slickensides) Smonice Hloubka (cm) < 0,001 mm 31,3 61,4 63,3 < 0,01 mm 52,8 75,9 90,2 Humus (%) 5,8 3,1 1,0 HK/FK 0,9 1,0 - Karbonáty (%) 0,2 0,1 3,2 ph KCl 7,1 7,0 7,2 ph H2O 8,4 7,9 8,0 KVK (mmol(+)/100g) 30,7 39,2 37,7 V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 66,8 63,1 60,2 Fe 2 O 3 7,5 8,2 7,9 Al 2 O 3 19,2 21,8 21,9 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) > ,5 87,6 0,2-3,1 7,2 7,9 29, ,5 7,5 21,

128 5. ČERNOSOLY Půdy s mocným (0,4-0,6 m) černickým humusovým horizontem s drobtovitou až zrnitou strukturou. Z nezpevněných karbonátových substrátů. Probíhá humifikace a bioakumulace. Půdní typy: Černozem CE Černice CC 126

129 Černozem CE (Černozem - ČM) A p -orniční A c - černický A c /C k (K kalcický) C k Černozem CE (Černozem - ČM) A p -orniční A c - černický A c /C k (K kalcický) C k Černozem cicváry 127

130 Černozem pseudomycelia Černozem CE (Černozem - ČM) Černozem krotoviny 128

131 Černozem modální (na spraši, Brázdim) Hloubka (cm) < 0,001 mm 22,6 24,1 22,9 < 0,01 mm 36,0 41,0 37,5 Humus (%) 2,4 2,2 1,1 HK/FK 2,2 2,4 1,8 Karbonáty (%) 0,9 0,3 11,6 ph KCl 7,5 7,4 7,7 ph H2O 7,8 7,7 8,1 KVK (mmol(+)/100g) V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 74,5 71,1 70,7 Fe 2 O 3 3,8 3,3 3,8 Al 2 O 3 17,2 16,7 16,9 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) > 80 20,7 36,5 0,3-16,9 7,7 8, ,2 3,3 17,5 200 Mapa osídlení 10 tis. let před n. l. 129

132 Černice CC (Lužní půda - LP) (A p ) A cn AC g Slín C g Černice CC 130

133 Černice CC A cn - černický AC g C g 131

134 6. LUVISOLY Půdy s diagnostickým horizontem (argi)luvickým a méně či více výrazným (albickým) horizontem eluviace jílu. Proces illimerizace. Půdní typy: Šedozem - SE Hnědozem - HN Luvizem - LU 6. LUVISOLY illimerizace % jílu Povlaky jílových minerálů 6. LUVISOLY novotvary Povlaky jílových minerálů 132

135 6. LUVISOLY novotvary Povlaky jílových minerálů Šedozem SE (ČM illimerizovaná) A p (A me ) (E v ) B th - organoluvický C k Šedozem SE 133

136 Šedozem - SE A me B th C k Šedozem - SE Hnědozem HN (Hnědozem - HM) (A p ) A h (E v ) B t - luvický B/C C (C k ) 134

137 Hnědozem HN (Hnědozem - HM) (A p ) A h (E v ) B t - luvický B/C C (C k ) Hnědozem modální Hloubka (cm) < 0,001 mm 18,6 19,5 < 0,01 mm 30,3 30,5 Humus (%) 1,5 0,7 HK/FK 1,2 0, ,9 17,2 40,0 35,3 0,4 0,4 - - Karbonáty (%) ph KCl 7,3 7,2 7,1 7,2 ph H2O 7,5 7,5 7,3 7,4 KVK (mmol(+)/100g) V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 75,2 70,1 74,4 69,8 Fe 2 O 3 3,8 3,3 3,9 3,6 Al 2 O 3 15,2 16,8 17,2 16,5 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) > ,4 34,8 0,1-14,5 7,7 8, ,2 3,3 15,

138 Luvizem LU (Illimerizovaná p. - IP) (A p ) A h E l B t -luvický (B td l.degradovaný) C Luvizem 136

139 Luvizem modální Hloubka (cm) < 0,001 mm < 0,01 mm Humus (%) HK/FK ,1 15,3 25,3 30,0 37,9 38,4 45,5 49,6 1,4 0,6 0,6 0,3 1,1 0,3 0, ,8 46,2 0,2 - Karbonáty (%) ph KCl 6,2 5,8 5,0 5,0 5,3 ph H2O 7,3 6,4 6,4 5,9 6,6 KVK (mmol(+)/100g) V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 79,6 81,3 78,8 75,5 74,7 Fe 2 O 3 2,2 2,2 3,2 4,0 3,8 Al 2 O 3 10,2 11,1 11,8 14,0 14,3 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) ,1 59,2 0,1-0 6,5 7, ,8 4,0 13,9 900 Luvizem oglejená LUg (A p ) A h E l B mt mramorovaný luvický C 137

140 Katena sled pedonů směrem do terénní deprese změna barvy B horizontů 7. KAMBISOLY Půdy s výrazným metamorfickým horizontem, vytvořeným v hlavním souvrství svahovin z přemístěných zvětralin pevných či zpevněných hornin aj. Různá zrnitost, vyluhování a acidifikace. Probíhá hnědnutí a tvorba jílu. Půdní typy: Kambizem - KA Pelozem - PE 138

141 Kambizem KA (Hnědá půda - HP) O (A h ) B v - kambický C Kambizem KA (Hnědá půda - HP) (O) A h B v - kambický C břidlice slepenec Kambizem arenická KAr (O) A h B v C břidlice (písek) slepenec 139

142 Kambizem rankerová KAs (O) A h B v C břidlice břidlice slepenec gabrodiorit Kambizem melanická KAn (O) A m - melanický B v polygen. hlína břidlice slepenec čedič C Kambizem melanická (Věrušičky) Hloubka (cm) < 0,001 mm < 0,01 mm Humus (%) 3,0 1,7 0,8 HK/FK 1,5 1,0 - Karbonáty (%) ph KCl 5,6 5,6 5,8 ph H2O 6,0 6,4 6,8 KVK (mmol(+)/100g) V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 55,8 49,8 49,0 Fe 2 O 3 12, Al 2 O 3 16,6 18,1 19,4 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) ,4-0 5,9 7, ,1 14,4 20,

143 Kambizem dystrická KAd (O) A h B v C granodiorit břidlice slepenec amfibolit Kambizem dystrická Hloubka (cm) < 0,001 mm 4,4 8,8 9,2 < 0,01 mm 21,1 23,2 21,1 Humus (%) 6,6 6,6 4,1 HK/FK 0,7 0,4 0,2 Karbonáty (%) ph KCl 4,1 4,4 4,5 ph H2O 4,9 5,2 5,0 KVK (mmol(+)/100g) 24,8 21,1 21,0 V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO 2 65,5 63,5 59,8 Fe 2 O 3 5,7 5,9 5,5 Al 2 O 3 19,5 20,6 23,3 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) ,8 13,7 0,7-0 4,3 4,9 13, ,1 7,1 26,

144 8. ANDOSOLY Půdy na zvětrávájících kyselých vulkanických popelech. Uvolňování volného Al či tvorba amorfních jílových minerálů alofanu a imogolitu. Hluboký, silně humózní andický humusový horizont a kyprý kambický andický horizont. V ČR nebyly zjištěny. Půdní typy: Andozem - AD Andozem AD A p A a h. andický B a - andický C 142

145 9. PODZOSOLY Půdy se spodickými diagnostickými horizonty, silně sorpčně nenasycené. Proces podzolizace. Půdní typy: Kryptopodzol Podzol - PZ - KP Kryptopodzol KP (HPp, Rezivá p.) (O) A h (A p ) B vs -rezivý C rula amfibolit 143

146 Podzol PZ (Podzol - PZ) O (A h ) E p - ochuzený podzolový B hs - humusoseskvioxidický B s - seskvioxidický C (rula) Podzol PZ O (A h ) E p B hs C Podzol arenický - PZr 144

147 Podzol arenický - PZr O A h E p B hs (B sd ) B s C Podzol arenický PZr O (A h ) E p B hs (B sd ) B s kvádrový pískovec (Novotvar: ortštejn) C štěrkopísek Podzol novotvar ortštejn kvádrový pískovec štěrkopísek 145

148 Podzol podzolizace kvádrový pískovec štěrkopísek Podzol modální (Moldava, Krušné hory) Hloubka (cm) < 0,001 mm < 0,01 mm Humus (%) 14,0 3,9 10,8 HK/FK - 0,7 0,3 Karbonáty (%) ph KCl 3,0 3,1 3,4 ph H2O 3,4 3,8 4,1 KVK (mmol(+)/100g) V (%) <30 <30 <30 Prvkové složení (tot. %) SiO 2 70,7 77,7 58,5 Fe 2 O 3 5,2 1,8 7,5 Al 2 O 3 17,6 16,0 25,1 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) ,2 4,5 15 <30 65,1 3,3 22,

149 10. STAGNOSOLY Půdy semihydromorfní, s výrazným redoximorfním mramorovaným horizontem v důsledku povrchového periodického převlhčení v hloubce do 0,5 m. Proces oglejení. Půdní typy: Pseudoglej - PG Stagnoglej - SG Pseudoglej PG (Oglejená p. - OG) A hn (E n nodulární) B m mramorovaný B mt BC g diluviální hlína C diluviální hlína 147

150 Pseudoglej PG A hn (E n ) B m BC g Psudoglej Fe-Mn konkrece diluviální hlína diluviální hlína Pseudoglej Hloubka (cm) < 0,001 mm 9,3 12,7 39,6 < 0,01 mm 42,6 36,7 53,0 Humus (%) 3,4 0,3 0,3 HK/FK 1,1 0,9 0,2 Karbonáty (%) ph KCl 5,0 4,4 4,2 ph H2O 5,3 4,8 4,7 KVK (mmol(+)/100g) V (%) 34 <30 <30 Prvkové složení (tot. %) SiO 2 77,9 77,2 76,0 Fe 2 O 3 2,5 3,4 3,7 Al 2 O 3 12,5 12,5 13,6 Volné Fe 2 O 3 (mg/100g) ,9 49,9 0,2 0,1 0 4,1 4, ,1 3,0 16,

151 Stagnoglej SG A hg (A t ) G ro - glejový B m diluviální hlína C g diluviální hlína 149

152 11. GLEJSOLY Půdy s výrazným reduktomorfním glejovým horizontem v hloubce do 0,5 m v důsledku dlouhodobého provlhčení zejména podzemní vodou. Glejový proces. Půdní typy: Glej - GL Glej GL (Glejová p.- GL) Glej GL (Glejová p.- GL) (O t ) A t (T) G ro G or G r ný diluviální hlína diluviální hlína 150

153 Glej GL diluviální hlína diluviální hlína Glej rezivé povlaky diluviální hlína diluviální hlína Glej GL (O t ) A t (T) G or G ro diluviální hlína G r ný diluviální hlína 151

154 Glej (Březnice) Hloubka (cm) < 0,001 mm 10,3 15,5 14,0 < 0,01 mm 40,9 46,3 35,0 Humus (%) 7,7 1,9 0,7 HK/FK Karbonáty (%) ph KCl 5,5 6,0 6,1 ph H2O 6,4 7,2 7,4 KVK (mmol(+)/100g) 29,9 17,6 11,8 V (%) 51,2 60,2 66, ,5 30,9 1,1-0 6,0 7,2 11,6 60,3 152

155 Katena 12. SALISOLY Půdy s s vysokým obsahem rozpustných solí, s výraznými znaky zasolení a se salickým diagnostickým horizontem. Půdní typy: Solončak - SK Solončak SK (Solončak - SK) A h S - salický C s 153

156 13. NATRISOLY Půdy s natrickým horizontem se sloupkovitou strukturou ve svrchní části nebo nasyceností sorpčního komplexu sodíkem vyšší než 15 % do 0,5 m. Proces soloncování. Půdní typy: Slanec - SC Slanec SC (Solonec-SC) A h Sloupkovitá struktura E s soloncový ochuzený B n - natrický BC C 154

157 Slanec SC (Solonec-SC) Sloupkovitá struktura 14. ORGANOSOLY Půdy s holorganickými, hlavně rašelinnými horizonty o mocnosti nad 0,5 m (případně 0,1 m). Proces rašelinění. Půdní typy: Organozem - OR 155

158 Organozem OR (Rašelinová p.-rš) T rašelinný horizont Organozem OR (Rašelinová p.-rš) T rašelinný horizont C Organozem OR 156

159 15. ANTROPOSOLY Půdy vzniklé výraznou modifikací půdních horizontů kultivačními, melioračními opatřeními, pohřbením původních půdních horizontů. Půdy vzniklé z člověkem přemístěných materiálů či překryté (sealing). Půdy silně kontaminované. Půdní typy: Kultizem - KU Antrozem - AN 157

160 Antro(po)zem AN Antrozem AN A z - antropický C Referenční třídy a půdní typy TKSP LEPTOSOLY litozem (LI) ranker (RN) rendzina (RZ) pararendzina (PR) REGOSOLY regozem (RG) FLUVISOLY fluvizem (FL) koluvizem (KO) VERTISOLY smonice (SM) ANDOSOLY andozem (AD) ČERNOSOLY černozem (CE) černice (CC) LUVISOLY šedozem (SE) hnědozem (HN) luvizem(lu) WRB: IUSS/FAO/ISRIC 1998 lithic Leptosols (LP) Leptosols (LP) rendzic Leptosols(LP) Leptosols (LP) Regosols (RG) Arenosols (AR) Fluvisols (FL) Vertisols (VR) Andosols (AN) Chernozems (CH) Phaeozems (PH) greyic Phaeozems (gz PH) haplic Luvisols (ha LV) Albeluvisols (AB) 158

161 Referenční třídy a půdní typy TKSP KAMBISOLY kambizem (KA) Cambisols (CM) pelozem (PE) PODZOLY kryptopodzol (KP) podzol (PZ) STAGNOSOLY pseudoglej (PG) stagnoglej (SG) GLEJSOLY glej (GL) ORGANOSOLY organozem (OR) SALISOLY solončak (SK) NATRISOLY solonec (SC) ANTROPOSOLY kultizem (KT) antrozem (AN) WRB: IUSS/FAO/ISRIC 1998 entic Podzols (et PZ) haplic Podzols (ha PZ) stagnic gleyic (Stagnosols) Planosols Gleysols (GL) Histosols (HS) Solonchacs (SC) Solonetzs (SN) Anthrosols (AT) anthropic Regosols (RG) Zastoupení půdních typů v ČR Půdní typ % Kambizemě 49,46 Pseudogleje 7,76 Gleje 7,31 Černozemě 6,80 Fluvizemě 6,65 Hnědozemě 5,73 Kryptopodzoly 4,38 Luvizemě 3,07 Regozemě 1,65 Černice 1,52 Podzoly 1,47 Antrozemě 1,09 Pelozemě 1,04 Ostatní 1,82 WRB 159

162 US Soil Taxonomy VLASTNÍ PEDOGEOCHEMIE Chování a koloběhy prvků v půdě Globální cyklus chemických prvků Atmosféra AZ ZA OA AO Země Oceány ZT Toky (řek) TO 160

163 Zdroje prvků v půdě přirozené primární nerosty, horniny, ložiska přirozené - druhotné produkty přírodních pochodů prachové bouře, sopečná činnost atmosférické srážky a spady antropogenní aplikace melioračních surovin, hnojiv pesticidů, popílky, kaly, závlahové vody apod. atmosférický spad Procesy ovlivňující obsahy prvků v půdě geologický a biologický koloběh látek uvolňování z vazeb (zvětrávání) migrace vyluhování akumulace biologické procesy a akumulace UHLÍK V PŮDĚ Formy výskytu: CO 2 uhličitany organická hmota (stabilní humus i DOM) Hlavní přirozené zdroje: organismy (OH, CO 2 ) mateční horniny (uhličitany) atmosféra (CO 2 ) 161

164 Globální bilance C údaje se mírně liší podle literárních pramenů Množství C v 10 9 t: Půda (org. C) Půda Atmosféra (anorg. C) Biomasa Oceány Ostatní souše Oxid uhličitý Zdroje: dýchání organismů, atmosféra Formy: plynný v půdním vzduchu rozpuštěný v půdním roztoku Význam: fotosyntéza okyselování půdy (tvorba H 2 CO 3 ) Půdní uhličitany Zdroje: primární: mateční horniny sekundární precipitace vápnění spady Význam: pufrační schopnost zásoba živin (Ca, Mg) sorpce půdotvorné procesy Nejběžnější: kalcit CaCO 3 dolomit CaMg(CO 3 ) 2 Nejbohatší půdy: rendziny a pararendziny černosoly vertisoly šedozemě a hnědozemě Ve světě: kaštanozemě 162

165 Formy uhličitanového C ve vodě v závislosti na ph Aktivita uhličitanů v roztoku Uhlík v organické hmotě Obsahy C v různých ekosystémech Tropický prales Savana Travní porost Listnatý les 84 Jehličnatý les Tundra 1 Pg (petagram) = g Nadzemní biomasa Půda 163

166 Obsahy C v různých ekosystémech 1 Pg = g Obsah OH v půdě Skupina půd Tropické půdy (Oxisols, Ferralsols) Písčité půdy (Psamments, Arenosols) Zamokřené půdy (Aquepts, Gleys) Typické prérijní půdy (Mollisols, Chernozems) Obsah OH (%) 1-2 < Kritéria hodnocení obsahu OH v půdě v ČR Hodnocení Velmi nízký Nízký Střední Vysoký Velmi vysoký Obsah humusu (%) < > 5 164

167 Obsah a kvalita OH v některých půdách ČR Půdní jednotka Humus (%) HK : FK Černozem 2,6 2,4 Hnědozem 1,8 1,1 Luvizem 1,7 0,9 Pseudoglej 2,2 0,7 Kambizem eutrofní 2,5 0,7 Kryptopodzol 5,4 0,6 Rozložení organického C v půdním profilu Množství OH z rostlin Plodina Vojtěška Jetel luční Pšenice ozimá Ječmen jarní Brambory Cukrovka Suchá hmota rostlinných zbytků (t/ha) 8,2 5,2 3,1 2,5 0,9 0,9 165

168 Bilance C Dynamika půdní OH Vývoj obsahu OH během obdělávání 166

169 Degradace půdy po odlesnění Sekvestrace uhlíku = snaha dlouhodobě zvýšit obsah organické hmoty v půdě Způsoby: omezení mineralizace dodávka OH do půdy omezení eroze Problémy: nedostatek a ztráty OH pomalý proces Zdroje organické hmoty pro hnojivé účely v ČR Posklizňové zbytky (včetně kořenové hmoty a exudátů) 50-60% Organická hnojiva 40-50% Statková hnojiva 97% Hnůj, kejda 92% Sláma a zelené hnojení 8% Průmyslové komposty 3% Ostatní (rašelina, čistírenské kaly, apod.) (Rychter et al. 2001, Škarda a Římanovský 1992) 167

170 DUSÍK V PŮDĚ v půdách běžně 0,25 ( 0,02-0,5) %hm. Formy výskytu: anorganické formy: dusičnanový N NO - 3 dusitanový N NO 2 - amonný N NH 4 + organické formy (95-99 %) bílkoviny, peptidy, aminokyseliny nukleové kyseliny, chitin, aminosacharidy huminové látky aj. Globální bilance N (10 6 t) Bilance dusíku v půdě Zdroje: atmosféra plynný N fixace blesky suchá a mokrá depozice hnojiva organická pevná (hnůj) i kapalná (kejda, močůvka) průmyslová močovina, DA, DAM, SA aj. minerály omezeně Ztráty: vytěkání NH 3, N 2 a oxidů N (N 2 O, NO) odběr rostlinami aj. organismy vyplavení, eroze, smyv 168

171 Koloběh dusíku Tvorba reaktivního N 10 6 t N.r -1 (1990) (Galloway et al., 2004) Kontinent Afrika Asie Evropa* L. Amerika S. Amerika Oceánie Celkem Blesky 1,4 1,2 0,1 1,4 0,2 0,2 4,5 Biol. fixace 27,7 35,1 18,7 31,5 17,9 7,6 138,5 Fosilní paliva 0,8 5,7 6,1 1,3 7,3 0,4 21,6 Výroba hnojiv 2,5 40,1 21,6 3,2 18,3 0,4 86,1 Import 1,2 13,8 9,6 2,5 5,0 0,6 32,7 Vstupy celkem 33,6 95,9 56,1 39,9 48,7 9,2 283,4 * včetně zemí bývalého SSSR Přeměny dusíku v půdě Fixace molekulárního N: redukce N 2 na amoniak N 2 + 8H + + 6e - (+energie, nitrogenáza) 2NH 3 + H 2 biologický proces symbiotické (zejména u bobovitých rostlin) i volně žijící organismy bakterie (Azotoacter, Clostridium, Rhizobium) aktinomycety (Frankia) sinice (Nostoc, Anabaena) snaha o zvýšení (inokulace aj.) 169

172 Přeměny dusíku v půdě Mineralizace organické hmoty: též amonifikace, amonizace uvolnění N z organických vazeb R-NH 2 + 2H 2 O NH 4+ + R-OH + OH - mikroorganismy a extracelulární enzymy opačným procesem je imobilizace N v organické hmotě Volatilizace amoniaku: alkalické půdy, teplo, sucho, provzdušenost NH 4+ + OH - NH 3 + H 2 O Přeměny dusíku v půdě Nitrifikace: oxidace amonných forem N NH 4+ NH 2 OH (NOH) NO NO 2- NO - 3 sumárně: NH O 2 NO 3- + H 2 O + 2H + zvýšení mobility N v půdě okyselení prostředí uvolnění plynných oxidů N biologický proces bakterie (Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrobacter) Přeměny dusíku v půdě Denitrifikace: redukce oxidovaných forem N NO 3- NO 2- (NO) N 2 O N 2 uvolnění energie v hypo- a anoxických podmínkách nežádoucí uvolnění N 2 O do atmosféry ochuzení půdy o využitelný N biologický proces bakterie (Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium aj.) nerespirační denitrifikace v AE prostředí, nejasný význam 170

173 Přeměny dusíku v půdě Asimilační a disimilační redukce NO 3- na NH 4+ : redukce nitrátu pomocí cytoplasmatických enzymů rostlin a mikroorganismů NO 3- NO 2- (NOH) NH 2 OH NH 4+ glutamát, glutamin aj. uvolnění energie (např. v anoxických podmínkách) biologický proces AN bakterie (Clostridium, Desulfovibrio, Bacillus aj.) Fixace NH 4+ : poutání ve struktuře jílových minerálů (až 19 mg NH 3 /kg) Vývoj forem N v zaplavené půdě Přeměny N a jejich ox. stav 171

174 Koloběh N v půdě Faktory přeměn dusíku v půdě zdroje N v půdě organické anorganické odběr rostlinami zrnitost půdy provzdušnění půdy vlhkost teplota složení mikroorganismů redox podmínky Bilance živin v půdě (zemědělské půdy; FAO, 1988) Svět Evropa N P N P Zdroje živin (10 9 kg) hnojiva 70,0 14,4 9,3 2,0 odpady 58,0 12,0 7,1 1,4 atmosféra 89,0-1,3 - Celkové zdroje (10 9 kg) 217,0 26,4 17,7 3,4 Celkem v kg ha -1 13,0 5,6 96,0 26,8 Úbytek živin (10 9 kg) zemědělské plodiny 60,4 11,7 10,1 1,9 denitrifikace 156,6-4,3 - Celkový úbytek (10 9 kg) 217,0 11,7 14,4 1,9 Celkem v kg ha -1 13,0 2,5 78,0 15,0 Čistý přídavek (10 9 kg) - +14,7 +3,3 +1,5 Čistý přídavek v kg ha ,1 +18,0 +11,8 172

175 Ztráty dusíku z půdy Hlavní cesty ztráty: vymývání (NO 3- ) denitrifikace NO 2, N 2 vytěkání (NH 3 ) Příčiny: nadměrné a nevhodné hnojení rozpustné formy hnojiv nízká sorpční kapacita půd pro N mikrobní aktivita vysoká propustnost půd (lehké půdy) vysoké srážky eroze, smyv, vyluhování Využití N z hnojiv Celkové vstupy N Nadbytečný anorg. N Denitrifikovaný N N ve stéble N v zrnu N z hnojiva Důsledky ztráty živin z půdy snížení produkce zvýšení nákladů znečištění vzduchu (N) znečištění podzemních a povrchových vod (N, P) eutrofizace vod 173

176 Atmosférické emise a depozice na počátku 90. let, 10 6 t N.r -1 (Galloway et al., 2004) Kontinent Afrika Asie Evropa* L. Amerika S. Amerika Oceánie Pevnina celkem Oceány celkem Celkem Emise NO x 6,8 10,7 7,9 5,3 8,5 1,1 40,4 4,2 44,6 Depozice NO x 5,0 6,5 5,0 3,1 4,7 0,5 24,8 21,0 45,8 Bilance NO x -1,9-4,2-2,9-2,2-3,8-0,6-15,6 16,8 Emise NH 3 7,0 22,1 8,0 7,8 3,6 1,0 49,5 5,6 55,1 Depozice NH x 5,6 16,1 5,6 5,8 3,0 0,5 36,5 18,3 54,8 Bilance NH x -1,4-6,0-2,4-2,1-0,6-0,5-13,0 12,7 * včetně zemí bývalého SSSR Celkové emise N Celkové depozice anorg. N (mg N.m -2 r -1 ) 1860 (Galloway et al., 2004)

177 Celkové emise v ČR (x1000 t r -1 ) SO SO SO SO SO SO SO NOx 1980 NOx 1985 NOx 1990 NOx 1993 NOx 1995 Zdroj dat: ČHMÚ NOx 1997 NOx 1999 FOSFOR V PŮDĚ v půdách běžně 0,08 (0,02-0,5) % Formy výskytu: apatit, minerální fosforečnany (Ca, Al, Fe) silikáty (substituce Si 4+ v tetraedrech) organické sloučeniny (30-50 %) inositolfosfáty, fosfolipidy nukleové kyseliny, fosforylované cukry Zdroje P: mateční horniny zvětrávání hnojiva průmyslová i organická Koloběh P v půdě 175

178 Přeměny P v půdě Zvětrávání Sorpce a desorpce Rozpouštění a precipitace Mineralizace Imobilizace v OH Eroze, vyplavení, smyv Sorpce fosforečnanů Saloidní vazba R-OH + H + -OH - R-OH 2+ -OH - R-OH 2 -OH + H 2 PO - 4 R-OH 2 -H 2 PO 4 + OH - ještě vyměnitelné Koloidní vazba R-OH + H 2 PO - 4 R-H 2 PO 4 + OH - obtížně vyměnitelné Irreversibilní sorpce krystalizace vytváření nerozpustných sloučenin s Fe (variscit), Al (strengit), Ca zvrhávání P, retrogradace kys. fosforečné Formy P v půdě v závislosti na ph 176

179 Poutání P v půdě v závislosti na ph Rovnovážný diagram forem P Formy P v půdě podle stáří půdy Apatity a Ca fosforečnany Formy půdního P Organický P Fosforečnany Fe a Al Rozpustný P Doba vývoje půdy 177

180 Rovnovážný diagram forem P v závislosti na ph a Ca za přítomnosti OH Adsorpce a desorpce P v půdě - idealizovaný průběh Adsorbovaný P desorpce Hystereze adsorpce Koncentrace P Rhizosféra Volná půda Kořen Mykorhizní houby Vlášení Příjem Difuse P v roztoku (P i a P o ) Ost. kořen. exudáty H + ionty Cukry Fosfatázy Rhizosferní mikroorg. Org. kyseliny H + ionty Fosfatázy Desorpce Rozpouštění Adsorb. P (P i ) Minerální P (P i ) Org. kyseliny Mineralizace Rozpouštění Organický P (P o ) Metabolismus Zóna vyčerpání P Přeměny P v rhizosféře 178

181 Ztráty fosforu z půdy Hlavní cesty ztráty: vyluhování (rozpustný P) povrchový a podpovrchový smyv (rozpustný P a P v částicích) eroze (P v částicích) Příčiny: nadměrné hnojení nízká sorpční kapacita půd pro P nízký obsah Ca, Mg, Fe, Al, jílu zvláště kyselé písčité půdy (podzoly) vysoké srážky eroze, smyv, vyluhování Transport P Eutrofizace = zvýšení výživného stavu vod Příčiny: ztráty živin z půdy jiné zdroje N a P (prací prostředky, odpadní vody aj.) narušená bilance teplota, světlo, soli Důsledky: nadměrný růst vodních rostlin vyčerpání kyslíku snížení druhové diverzity, hynutí ryb omezení průhlednosti, splavnosti 179

182 Eutrofizace jezer fosforem Prevence ztrát P (aj. živin) z půdy Přiměřené hnojení formy a dávky hnojiv, doba a způsob aplikace Best management practices (BMP) bezorebné hospodaření, obdělávání po vrstevnicích terasy, zasakovací pásy střídání plodin, krycí plodiny aj. Přídavky do půdy: materiály obsahující Ca, Mg, Fe nebo Al snížení rozpustnosti a mobility P SÍRA V PŮDĚ v půdách běžně 0,003-0,16 % Zdroje: mateční horniny suchá a mokrá depozice rostlinné zbytky hnojiva Bilance (Pg): Atmosféra Hydrosféra Litosféra Půda Biosféra 0, ,6 180

183 Celkové zásoby S (10 9 t) atoky (10 6 t r -1 ) Síra v půdě Formy výskytu: sírany (SO 4 2- ) rozpuštěné, adsorbované, precipitované sádrovec aj. SO 2 sulfidy (S 2- ) v AN podmínkách elementární S v AN podmínkách organické sloučeniny (70-99 %) S aminokyseliny (cystein, serin, methionin) % celkové S) polysacharidy a lipidy vazby C-S-H, C-O-S, C-N-S Zjednodušený koloběh síry O - oxidace R - redukce H - hydratace D - dehydratace A - zásoba sirných sloučenin v geologických sedimentech, v půdě a atmosférické zdroje 181

184 Koloběh S v půdě Přeměny síry v půdě Adsorpce/desorpce SO 2-4 : zejména hydratované oxidy Fe a Al jílové minerály, organické komplexy vliv ph (max. při 3-4,5), formy Fe/Al minerálů a OH Oxidace/redukce anorganické S: vliv redox podmínek působení půdních mikroorganismů Thiobacillus, Arthrobacter, Pseudomonas, Desulfovibrio H 2 S + 2O 2 H 2 SO 4 2H + + SO 4 2-2S + 3O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 4H + + 2SO 4 2- Formy S v závislosti na ph a pe 182

185 Přeměny síry v půdě Mineralizace/imobilizace organické S: mikrobiální procesy mineralizace - enzymy sulfatázy Precipitace sulfidů Volatilizace Odběr rostlinami Vyplavování, eroze, smyv Rozdíl mezi smrkovým a bukovým porostem (Havel et al. 1996, in Hruška a Cienciala, 2001) (kg S ha -1 r -1 ) Srážky Podkorunové srážky 65!!! 23 Smrk Buk Celková atmosf. depozice S a N DEPOZICE S Nízká <10 kg ha -1 Střední Vysoká Velmi vys, >20 DEPOZICE N Nízká <5 kg ha -1 Střední Vysoká Velmi vys, >15 183

186 Koncentrace SO 2 ve vzduchu v ČR - roční průměry, mg m -3 Zdroj: ČHMÚ Roční depozice S v ČR -g m -2 r -1 Zdroj: ČHMÚ Sádrovcové půdy vysoký obsah sádrovce obvykle suché oblasti (S. Afrika, Střední Východ, Španělsko aj.) vysoká elektrická vodivost nízký osmotický potenciál (silně záporný) ph 4-9 vliv na chemické, fyzikální i biologické vlastnosti půdy obtížné využití 184

187 Kyselé síranové půdy vznikají při vysokém obsahu sulfidů (pyritu) jeho oxidací mořská pobřeží (pod mangrovníky) rašeliny výsypky 4FeS O H 2 O 8H 2 SO 4 + 4Fe(OH) 3 2FeS 2 + 7O 2 + 2H 2 O 2H 2 SO 4 + 2FeSO 4 méně často vznikají v důsledku elementární S nebo jiných sulfidických minerálů extrémně kyselé půdy (ph 1 5) VÁPNÍK V PŮDĚ v půdách v průměru 0,057 (0, ) % Formy výskytu: plagioklasy, pyroxeny kalcit, dolomit, anhydrit, sádrovec fosfáty Ca 2+ -výměnný a v roztoku Vlastnosti: hlavní výměnný kation v půdě ústojná a neutralizační schopnost tvorba struktury živina Koloběh a přeměny vápníku v půdě 185

188 Vápník v půdě Zdroje: zvětrávání matečních hornin vápnění spady rostlinné zbytky Přeměny: zvětrávání adsorpce/desorpce příjem organismy vyluhování, eroze, smyv Vztah mezi ph půdy a obsahem výměnných a poutaných kationtů Bilance Ca v lesní půdě (Hultberg a Ferm, 2004) 20. století 186

189 Bilance Ca v lesní půdě (Hultberg a Ferm, 2004) 21. století Jehlice a větve odklizeny. Jehlice a větve ponechány. HOŘČÍK V PŮDĚ v půdách běžně 0,83 (0,005-16) % Formy výskytu: olivíny, pyroxeny, amfiboly, slídy jílové minerály (vermikulit, chlorit) karbonáty organické sloučeniny Mg 2+ -výměnný a v roztoku Vlastnosti: živina mobilní - snadno se vyluhuje chování a formy podobné jako Ca DRASLÍK V PŮDĚ v půdách v průměru 1,83 % Formy výskytu: primární minerály - živce, slídy halogenidy, sírany jílové minerály (illit; sorpce, fixace) ion K + v sorpčním komplexu a v půdním roztoku Zdroje: zvětrávání minerálů rostlinné zbytky hnojiva spady 187

190 Přeměny draslíku v půdě Zvětrávání Adsorpce a desorpce Fixace - až 1,5-4,0 mmol/100g Uvolňování Příjem organismy Rozklad organické hmoty Eroze, vyplavení, smyv SODÍK V PŮDĚ v půdách v průměru 1,09 % Formy výskytu: živce, slídy halogenidy, sírany Vlastnosti: Na + je větší než K + vyšší pohyblivost, snazší vyluhování Význam: rozpad půdní struktury alkalické půdy slance (solonce) KŘEMÍK V PŮDĚ v půdách průměrně 33 % (25-44) % 2. nejvíce zastoupený prvek (po O) v půdním roztoku 3,5-40 mg.l -1 Formy výskytu: křemen živce, slídy jílové minerály amorfní kyselina křemičitá Přeměny při půdotvorných procesech: podzolizace lateritizace (desilikace) 188

191 ŽELEZO V PŮDĚ v půdách průměrně okolo 3,8 (0,7-55) % přeměny na základě oxidačně redukčních podmínek: Fe 2+ Fe 3+ barevné změny změna mobility (Fe 2+ >Fe 3+ ) vysoká afinita k tvorbě organických komplexů a chelátů Mobilní formy Fe: malý podíl mobilních forem více v redukčních podmínkách Fe 3+, Fe(OH) 2+, FeOH 2+, Fe 2+, Fe(OH) 3-, Fe(OH) 4 2- běžně µg.l -1 (extrém: > 2000 µg.l -1 ) Závislost forem Fe na ph Fe 2+ Fe 3+ kyselé půdy až toxické koncentrace Fe alkalické půdy nedostatek přístupného Fe Minerály Fe v půdě hematit αfe 2 O 3 aridní, semiaridní a trop. oblasti maghemit γfe 2 O 3 vysoce zvětralé p. trop. oblastí magnetit Fe 3 O 4 vázán na maghemit, zděděný ferihydrit Fe 2 O 3.nH 2 O běžný, ale nestabilní goethit αfeooh nejběžnější Fe minerál v půdě, mírné až tropické pásmo lepidokrokit γfeooh špatně odvodněné půdy (např. rýžová pole) a půdy mírného vlhkého pásma (nízké ph, nízká t, bez Fe 3+ ) ilmenit FeTiO 3 zděděný, není běžný pyrit FeS 2, sulfid železnatý FeS, jarosit KFe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6 - zatopené p. s obsahem S 189

192 Aktivita forem Fe v závislosti na ph Přeměny Fe v půdě Zvětrávání např. hnědnutí Oxidace a redukce: redukce - při oglejení a glejovém procesu chemický či biologický proces oxidace - železité bakterie: Thiobacillus ferroxidans, Leptospirum ferroxidans, Gallionella aj. redukce - Alternaria, Clostridium, Fusarium, Pseudomonas aj. Přeměny Fe v půdě Rozpouštění a srážení Příjem rostlinami a mikroorganismy Uvolnění mineralizací Vymývání např. při illimerizaci a podzolizaci 190

193 MANGAN V PŮDĚ v půdách průměrně 0,085 (0,01-0,4) % Formy výskytu: v horninách jako Mn 2+, zčásti jako Mn 3+ oxiduje na Mn 4+ - málo rozpustný v půdním roztoku jako hexa-aquo ion Mn(H 2 O) 2+ 6 Mn 3+ je málo stabilní příjem nebo ztráta elektronu oxidy (pyroluzit, vernadit MnO 2 ), hydroxidy uhličitany noduly, konkrece Přeměny Mn v půdě podobné chování jako Fe, při nízkém ph je pohyblivější koncentrace v p. roztoku: µm váže jiné kovy Co, Ni, Cu, Zn, Mo oxidy Mn mohou řídit oxidaci As, Cr, V, Se, Hg, Pu Oxidace a redukce: Mn 2+ Mn 4+ oxidace: Leptothrix, Arthrobacter, Metallogenium, extracelulární enzymy redukce: Geobacter, Shewanella, Desulfovibrio zvýšení mobility snížení KVK, Mn 2+ soutěží o sorpční místa Stabilitní diagrammn 191

194 HLINÍK V PŮDĚ v půdách průměrně 7,1 (1-30) % Formy výskytu: silikáty primární i sekundární (jílové minerály) oxidy, hydroxidy (gibbsit) ionty - aluminohexahydroniový kationt [Al(H 2 O) 6 ] 3+!!! většina Al vázána v půdních minerálech!!! Al - oktaedr metamorfóza zvětrávání Al - tetraedr Vlastnosti a chování Al v půdě amfoterní; snadná hydrolyzovatelnost a polymerace přítomnost kladných nábojů v hydroxylovaných a hydratovaných polymerech Al(OH) 3 adsorpce aniontů vpůdách povrchové povlaky na jílových minerálech vazba organických kyselin v půdě Reakce: s anionty (fluoridy, sírany, fosforečnany ) s organickou hmotou polymerace AlO 4 Al 12 (OH) 24 (H 2 O) 7+ 12, tzv. Al 13 Hlavní faktory chování Al v půdě povaha Al půdní reakce organická hmota poutání Al inhibice hydrolýzy sorpční charakteristiky iontová síla půdního roztoku přítomnost ostatních kationtů (Ca 2+, Mg 2+, P 5+ aj.) klimatické vlivy porost 192

195 Přeměny forem Al v závislosti na ph Al(H 2 O) H 2 O Al(OH)(H 2 O) H 3 O + Al(OH)(H 2 O) H 2 O Al(OH) 2 (H 2 O) 4+ + H 3 O + Al(OH) 2 (H 2 O) 4+ + H 2 O Al(OH) 3 (H 2 O) 30 + H 3 O + ph (6,2 6,5) Al(OH) 3 (H 2 O) 30 + H 2 O Al(OH) 4 (H 2 O) - + H 3 O + alkalické ph Gibbsit: K = [Al 3+ ]. [OH - ] = 1, Formy Al v závislosti na ph Pufrační schopnost půdy úloha Al 193

196 Vztah mezi ph půdy a obsahem výměnných a poutaných kationtů Reakce Al s anorganickými anionty Sírany: 2 [ ] + 2 Al (H O) OH + [ (H O) (OH)SO ] H O 2 5 SO4 polymerace, vznik vícejaderných komplexů: 2+ + [ Al(H O) OH] + [ Al(H O) ] SO4 při velmi kyselé reakci: Al 3+ + CaSO Al OH [(H 2 O) 5 Al Al(H 2 O) 4 SO 4 ] 2+ OH 4 AlSO Ca 2+ Reakce Al s anorganickými anionty Fluoridy: zvětrávání fluoritu apod. Al 3+ + F - AlF 2+ Al F - AlF 2 + Al F - AlF 3 0 Fosforečnany: chemosorpce P Al OH - + H 2 PO 4- Al(OH) 2 H 2 PO 4 K =

197 Převládající formy Al v půdním roztoku Podmínky Nepřítomnost síranů a fluoridů Přítomnost síranů (5 mmol.l -1 H 2 SO 4 ) Přítomnost fluoridů ph 4 Al 3+ AlSO 4 + Al 3+ Al 3+ AlF 2+ ph 5 Al(OH) 2 + AlSO 4 + Al(OH) 2 + Dominuje AlF 2+ Stabilitní diagram minerálů Al a Si Stabilitní diagram minerálů Al a Si 195

198 Interakce Al s organickými látkami jednoduché alifatické kyseliny (citronová, jablečná aj.) fenoly a fenolové kyseliny huminové kyseliny a fulvokyseliny velká schopnost tvořit stabilní komplexy Typy vazeb mezi Al a OH: vazby na funkční skupiny vodíkové můstky pravé komplexy V kyselých půdách je až 75 % nekrystalického Al v organických komplexech! Toxicita forem hliníku v půdě Minerální Alumosilikáty a jiné minerály Iontová podoba: Al 3+ [Al(H 2 O) 6 3+ ] Al(OH) 2+ nejvíce toxický toxický toxický toxicita zanedbatelná Al(OH) 2 + Al(OH) 4 - [AlO 4 Al 12 (OH) 24 (H 2 O) 12 ] Al 13 Nízkomolekulární komplexy (s F -, SO 4 2-, aj.) toxický netoxické Organické netoxické Komplexy s nízkomolekulárními látkami Komplexy s vysokomolekulárními organickými kyselinami Toxicita Al Al 13 >> Al 3+ > Al(OH) 2+ > Al(OH) 2+ > Al(OH) 4- >> AlSO 4 + Důležité faktory: poměr Ca/Al nebo BC/Al v půdním roztoku půdní reakce množství a složení OH v půdě stáří rostliny (mladé orgány jsou citlivější) tolerance rostliny 196

199 Toxicita Al Hlavní mechanismy toxicity Al: kompetice s Ca 2+ a Mg 2+ inhibice replikace DNA inhibice syntézy cytokininu změna struktury buněčné membrány nedokonalá funkce kořenů inhibice aktivity enzymatických systémů (kyselé fosfatázy, nitrátreduktázy atd.) změna AE metabolismu na AN vysrážení sloučenin P v kořenech Model aktivního vylučování Al 3+ kořeny pšenice Možné mechanismy (červené šipky): 1. Al 3+ reaguje přímo s proteinovým aniontovým kanálem; 2. Al 3+ reaguje s receptorovým proteinem (R) vázaným na membrány, který potom aktivuje aniontový kanál 3. Al 3+ aktivuje aniontový kanál nepřímo možná přes receptorový protein a kroky zahrnující rozpustné prostředníky. Tok malátu přes mebránu je vyrovnáván tokem K +, příp. dalších kationtů. Schéma speciace Al v půdě 197

200 Speciace Al metodou HPLC/IC (Drábek et al., 2003) Al 3+ Absorbance Al(X) 2 + Al(X) Čas (min) Speciace Al v půdě (výluh 0,5M KCl, HPLC; Drábek et al., 2003) 100% 10,4 mg.kg -1 9,2 mg.kg ,7 mg.kg -1 80% 60% 40% 20% 0% A B A B A B Orná půda Travní porost Les Al(X)+ Al(X)2+ Al3+ RIZIKOVÉ PRVKY (RP) V PŮDĚ Označení: potenciálně rizikové prvky stopové prvky (78) těžké kovy (kovy, > 5 g.cm -3 ; 38) Hlavní formy výskytu v půdě: minerály kationty oxyanionty vázané na organickou hmotu cheláty, organické komplexy organokovové sloučeniny Nejnebezpečnější: As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb a Zn 198

201 Převládající formy RP v půdě a jejich vliv na rostliny a živočichy Prvek As Be Cd Co Cr Cu Hg Mo Ni Pb Se Sn Zn Formy AsO 4 3- Be 2+ Cd 2+ Co 2+ Cr 3+, CrO 4 2- Cu 2+ Hg 2+, (CH 3 ) 2 Hg MoO 4 2- Ni 2+ Pb 2+ SeO 4 2- Sn 4+ Zn 2+ Vliv toxický pro rostliny i živočichy toxické pro rostliny i živočichy toxický pro živočichy živina pro rostliny i živočichy živina pro živočichy, Cr 6+ karcinogenní živina pro rostliny i živočichy, toxická pro r. i ž. toxická pro živočichy živina pro rostliny i živočichy, toxický pro r. i ž. živina pro rostliny i živočichy, toxický pro r. i ž. toxické pro rostliny i živočichy živina pro živočichy, toxický pro rostliny i ž. živina pro živočichy, toxický pro ž. živina pro rostliny i živočichy, toxický pro r. i ž. Předpokládané převládající formy RP v p. roztoku a nejtoxičtější specie (Adriano, 2001) Prvek Ag(I) As(III) As(OH) 3 AsO 3-3 As(V) H 2 AsO - 4 HAsO 2-4 AsO 3-4 B(III) Be(II) Cd(II) Co(II) Cr(III) Cu(II) Hg(II) Mn(II) Mo(V) Kyselé půdy Ag +, AgCl 0 B(OH) 3 Be 2+ Cd 2+, CdSO 40, CdCl - Co 2+, CoSO 4 0 Cr(OH) 2+ CrO 4 2- Cu 2+, CuCl -, fulváty Hg 2+, HgCl 20, CH 3 Hg + Mn 2+, MnSO 4 0 H 2 MoO 40, HMoO 4 - Alkalické půdy Ag + B(OH) 4 - Be(OH) 3-, Be(OH) 4 2- Cd 2+,CdCl -, CdSO 40, CdHCO 3 + Co(OH) 20, Cr(OH) 4 - Cr(VI) Cr 6+ CrO 4 2- CuCO 30, CuHCO 3 + Hg(OH) 2 0 Mn 2+,MnSO 40,MnCO 30,MnHCO 3 + HMoO 4-, MoO 4 2- Tox. specie Ag + B(OH) 3 Be 2+ Cd 2+ Co 2+ Cu 2+ CH 3 Hg + Mn 2+ MoO 4 2- Předpokládané převládající formy RP v p. roztoku a nejtoxičtější specie (Adriano, 2001) Prvek Ni(II) Pb(II) Sb(III) Se(IV) Tl(I) Tl(III) V(IV) Alkalické půdy NiCO 30, NiHCO 3+, Ni 2+ PbCO 30, PbHCO 3+, Pb(CO 3 ) 2 2-, PbOH + Sb(OH) 4 - SeO 3 2- SeO 4 2- Tl(OH) 4 - V(V) VO VO 2 (OH) 2-, VO 3 (OH) 2-2+, polymery? Zn(II) Kyselé půdy Ni 2+, NiSO 40, NiHCO 3 + Pb 2+, PbSO 40, PbHCO 3 + Sb(OH) 2+, Sb(OH) 3 HSeO 3 - Se(VI) SeO 4 2- SeO 4 2- Tl + Tl(OH) 3 0 VO 2+ Zn 2+, ZnSO 4 0 Tl + ZnHCO 3+, ZnCO 30, Zn 2+, ZnSO 4 0 Tox. specie Ni 2+ Pb 2+? Zn

202 Původ RP v půdě litogenní (geogenní) antropogenní bodové x rozptýlené (difusní) zdroje průmyslové aerosoly tekuté a pevné odpady zvířat a lidí těžební odpady průmyslové a zemědělské chemikálie aj. (pedogenní) Určení původu: profilová distribuce plošné rozložení podíl mobilních forem isotopické složení Profilová distribuce Pb (mg.kg -1 ) Antropogenní znečištění Geogenní obohacení Obsah RP v materiálech vnášených do půdy (mg.kg -1 v sušině; Kabata-Pendias a Pendias, 1992) Prvek As Cd Co Cr Cu Hg Mo Ni Pb Se Zn Kaly , P-hnojiva , ,01-1,2 0, , Vápence 0,1-24 0,04-0,1 0,4-3, ,05 0, ,08-0, N-hnojiva 2, ,05-8,5 5,4-12 3,2-19 <1-15 0,3-2, Hnůj ,3-0,8 0,3-24 5, ,09-0,2 0,05-3 7,8-30 6,6-15 2, Pesticidy , ,

203 Relativní podíl antropogenních zdrojů RP v zemědělských půdách UK (Adriano, 2001) As Cd Cr Cu Pb Hg Ni Zn Hnůj Atm. depozice Kaly Prům. odpady Hnojiva Střední hodnoty a běžné rozsahy obsahů RP v půdách světa (mg.kg -1 ; Bowen, 1979) Prvek As Cd Co Cr Cu Hg Mo Ni Pb Se Zn Medián 6 0, ,06 1, ,4 90 Rozsah 0,1-40 0,01-2,0 0, ,01-0,5 0, , Prvek Ag Ba Be Cs Ga Rb Sn Sr Ti U V Medián 0, , Rozsah 0, , ,3-20 0, , Doba setrvání RP v půdě (Bowen, 1979) Cd let Hg let Ag, Cu, Ni, Pb, Se, Zn let - v mírném klimatu (v tropech kratší doby) x úplné odstranění je téměř nemožné!!! 201

204 RP As Průměry obsahů RP v půdách světa (mg.kg -1 ; Kabata-Pendias a Pendias, 1992) Podzoly (písčité p.) 4,4 Kambisoly (hlinité p.) 8,4 Rendziny - Kaštano- a černozemě 8,5 Histosoly (org. p.) 9,3 Světový medián 6 Cd 0,37 0,45 0,62 0,44 0,78 0,06 Co 5, ,5 4,5 8 Cr Cu Hg 0,05 0,1 0,05 0,1 0,26 0,03 Mo 1,3 2,8 1,5 2 1,5 2 Ni Pb Se 0,25 0,34 0,38 0,33 0,37 0,2 Zn Přeměny RP v půdě adsorpce a desorpce rozpouštění a precipitace vázání organickými látkami tvorba anorganických a organických komplexů okluze, difuse do mřížky minerálů příjem organismy vypařování (Hg, metylované kovy) transport Míra zadržení v půdě: Pb > Sb > Cu > Cr > Zn > Ni > Co > Cd Stabilitní diagram kovů 202

205 Vazby kovů na EDTA v závislosti na ph Stabilita komplexů kovů s organickými ligandy Formy RP v půdě definované spíše operačně (způsobem stanovení) význam pro mobilitu, přístupnost vodorozpustné (v půdním roztoku) výměnné organicky vázané okludované na oxidech železa a manganu v definovaných sloučeninách uhličitany, sulfidy, fosforečnany vázané ve struktuře silikátů (zbytková, reziduální frakce) 203

206 Faktory chování a speciace RP v půdě vlastnosti daného prvku zdroj, forma, vazba, náboj, iontový poloměr, afinita k OH apod. půdní faktory půdní reakce, oxidačně redukční podmínky přítomnost iontů obsah a kvalita organické hmoty jílové minerály, oxidy železa, hliníku a manganu a další minerály zrnitost půdy biologické faktory klimatické podmínky srážky a výpar, teplota činnost člověka Rozdělení organicky vázaných forem TK mezi HK a FK (Příbramsko) 100% 80% HK2 60% FK2 40% HK1 20% FK1 0% C Cd Pb Zn Mechanismy tvorby komplexů RP s huminovými látkami (Senesi, 1992) 204

207 Schema postupné (sekvenční) extrakce podle Tessiera et al. (1979) Krok 1 Extrakční činidlo (ml/g) 1 M MgCl 2 (ph 7,0; 8 ml) Proces, teplota 1 h třepat Frakce výměnná M NaOAc (ph 5,0 - HOAc; 8 ml) 0,04 M NH 2 OH.HCl v 25% HOAc (ph ~ 2,0; 20 ml) 30% H 2 O 2 /HNO 3 (ph ~ 2) a poté NH 4 OAc HF/HClO 4 (2:1) (jako celkový obsah) 5 h třepat 6 h při 96±3 C, občasné míchání 85±2 C uhličitanová oxidy Fe a Mn organicky vázaná reziduální Schema postupné (sekvenční) extrakce podle Sposita et al. (1982) Krok 1 Extrakční činidlo 0,5 M KNO 3 Doba třepání (teplota) 16 h Extrahovaná frakce výměnná 2 deionizovaná voda třikrát 2 h sorbovaná 3 0,5 M NaOH 16 h organická 4 0,05 M Na 2 EDTA 6 h uhličitanová 5 4 M HNO 3 16 h (80 C) sulfidová Schema postupné (sekvenční) extrakce podle Ure et al. (1993) Krok Extrakční činidlo (ml/g) 0,11 M HOAc (40 ml) 0,1 M NH 2 OH.HCl (ph 2 - HNO 3 ; 40 ml) rozklad 30% H 2 O 2 a poté NH 4 OAc/HOAc (ph 5; 50 ml) HCl + HNO 3 (3 : 1) Proces 16 h třepat 16 h třepat 16 h třepat Extrahovaná frakce vodorozpustná, výměnná, uhičitanová oxidy Fe a Mn organická + sulfidy reziduální 205

208 Měď -Cu jeden z nejméně mobilních prvků v půdě nejvíce ve ferralsolech (oxisolech), fluvisolech nejméně v podzolech a organosolech konc. v půdním roztoku: µg.l -1 (tj. 0,047-2,125 µm) formy v půdě: Cu +, Cu 2+, CuOH +, CuCO 3, Cu(CO 3 ) 2 2-, Cu(OH) 3-, Cu(OH) 4 2-, CuO 2 2-, HCuO 2-, CuO kyslíkové můstky: Cu-O-Fe, Cu-O-Al, Cu-O-Mn Stabilitní diagram Cu Adsorpce Cu půdními složkami v závislosti na ph 206

209 Zinek - Zn nejvíce v aluviálních půdách, solončacích, rendzinách nejméně v lehkých půdách snadno mobilizovatelný: konc. v půdním roztoku: µg.l -1 (tj. 0,061-4,130 µm) formy v půdě: Zn 2+, ZnOH +, ZnHCO 3+, Zn(OH) 2, ZnO, ZnCO 3, Zn 5 (OH) 6 (CO 3 ) 2, Zn 3 (PO 4 ) 2.H 2 O, ZnCl 2-4, Zn(OH) 3-, ZnO 2-2 vazby hlavně na oxidy Fe a jíl. minerály Předpokládané tozdělení forem Zn v roztoku v závislosti na ph Stabilitní diagram Zn 207

210 Kadmium - Cd nejvíce v organických půdách nejméně v podzolech velmi mobilní (nejvíce při ph 4,5-5,5) konc. v půdním roztoku: 0,2-6 µg.l -1 (tj. 0,002-0,053 µm) formy v půdě: Cd 2+, CdCl +, CdOH +, CdHCO 3+, CdCl 3-, CdCl 2-4, Cd(OH) 3-, Cd(OH) 2-4, CdO, CdCO 3, org. cheláty vazby hlavně na jíl. minerály Rozdělení forem Cd v roztoku v půdě s obsahem karbonátů v závislosti na ph Sorpční isotermy Cd v závislosti na zrnitosti a ph 208

211 Olovo - Pb málo mobilní vazby na karbonáty, jíl. minerály, oxidy Fe a Mn a org. hmotu (imobilizace) při vyšším ph precipitace (karbonáty, fosforečnany, hydroxidy ) Pb 2+ může nahradit K, Ba, Sr, Ca v minerálech i na sorpčních místech významné antropogenní vstupy izotopové poměry pro určení původu Stabilitní diagram Pb Rozdělení forem Pb v roztoku v závislosti na ph 209

212 Chrom - Cr nejvíce na serpentinitech nejméně v písčitých a organických půdách Cr 3+ : většinou převládá podobnost s Fe 3+ a Al 3+ - možná náhrada mobilní při nízkém ph, precipitace při ph ~ 5,5 i v podobě smíšených oxidů s Fe 3+ CrOH 2+ Cr 6+ : toxický snadno rozpustný snadná redukce na Cr 3+ anionty: CrO 2-4, CrO 3-3 chromany sorpce na jíl. minerály a hydratované oxidy Stabilitní diagram Cr Rozdělení forem Cr 3+ v roztoku v závislosti na ph 210

213 Kobalt - Co nejvíce v kambisolech a rendzinách nejméně v podzolech a organosolech geochemie podobná jako u Fe a Mn nejčastěji v různých minerálech Fe sorpce na oxidy Mn, Fe a jíl. minerály na oxidech Mn specifická sorpce výměna za Mn 2+ Molybden - Mo formy v půdě: při neutrálním a slabě alkalické reakci - molybdenany (MoO 4 2- ) při nízkém ph HMoO 4 - snadná koprecipitace s org. hmotou, CaCO 3 a jiným kationty sorpce na hydratované oxidy Fe, Al, Mn a na org. hmotu při ph < 5,5 málo přístupný Rozdělení forem Mo v roztoku v závislosti na ph 211

214 Stabilitní diagram Mo Nikl - Ni nejvíce v rendzinách, kambizemích a kaštanozemích mobilní formy: Ni 2+ -relativně stabilní v roztoku NiOH +, HNiO 2-, Ni(OH) - 3 rozpustné cheláty (mobilizace z oxidů a karbonátů) běžně 3-25 µg.l -1 koprecipitace s oxidy Fe a Mn vázán organickou hmotou Rtuť -Hg formy v půdě: nejvíce jako slabě mobilní organokomplexy v roztoku převládá Hg(OH) 2 snadná sorpce chloridové komplexy se poutají hůř Hg 0, Hg 2+, Hg 2+ 2, Hg 2+, HgOH +, Hg(OH) 2, HgS 2-2, HgCl 2-4, HgCl -, RHg +, R 2 Hg (R= -CH 3, -CH 2 CH 3, -C 6 H 5 ) v kyselých glejových půdách jako Hg 0, HgS vazby hlavně na org. hmotu těkavá 212

215 Rozdělení forem Hg v roztoku v závislosti na ph Rozdělení forem Hg v roztoku v závislosti na koncentraci Cl - Stabilitní diagram Hg 213

216 Arsen - As nejméně v lehkých půdách, zvl. na granitických horninách nejvíce v aluviálních a organických půdách nejběžnější mobilní formy: AsO 2-, AsO 3-4, HAsO 2-4, H 2 AsO 3-, chování arseničnanů (AsO 3-4 ) podobné jako fosforečnanů sorpce na jíl. minerály, org. hmotu vysoká afinita k povrchu (hydr)oxidů Fe Stabilitní diagram As Selen - Se formy v půdě: při vysoké koncentraci Ca a Mg: CaSeO 4, MgSeO 4 v kyselém prostředí: KHSe, NH 4 HSe, MnSe Se 0, SeO 2-4, SeO 2-3, Me[Se, SeO, SeO 3, SeO 4 ], Se 2-, HSeO 3-, HSe -, (CH 3 ) 2 Se, (CH 3 ) 2 Se 2 mobilita v půdě: kyselé glejové p. selenidy malá mobilita dobře odvodněné p., ph neutrální seleničitany fixace na (hydr)oxidy Fe nízká mobilita alkalické, oxidované p. selenany snadno rozpustné, málo fixované nejvyšší mobilita v některých chudých půdách - nedostatek 214

217 Selen Se Vliv půdních podmínek na tvorbu rozpustných forem Se (Elrashidi et al., 1987) Redox hodnota (pe + ph) Vysoká (17) Střední (12) Nízká (4) ph 7 <2 >7 <7,3 >3,8 <3,8 Hlavní specie v půdním roztoku SeO 4 2- HSeO 4-, H 2 SeO 3 - SeO 3 2- HSeO 3 - HSe - H 2 Se 0 selenany seleničitany selenidy Stabilitní diagram Se Další prvky Li nejméně v lehkých org. půdách, nejvíce ve vápnitých p. vazba na Ca a Mg, podobné chování Rb nejméně v rašelinách, lehkých org. půdách, nejvíce na žulách, rulách a v aluviálních p. vazba na K Cs podobnost Rb, vyšší afinita k alumosilikátům 137 Cs - radioisotop 215

218 Další prvky Be, Sr, Ba podobné chování jako Ca (a Mg) obvykle vázány na uhličitany Be může nahradit Al aj. kationty v montmorillonitech Sr velmi podobné chování jako Ca; tvoří cheláty 90 Sr nebezpečný radionuklid Ba snadná precipitace (s SO 2-4, CO 2-3 ) sorpce na jíl. minerálech, v Mn a P konkrecích specifická sorpce na oxidech a hydroxidech Stabilitní diagram Be Další prvky Sn v silně kyselých půdách Sn 2+ rozpuštěný se chová podobně jako Fe a Al tvoří organické komplexy Ge vazba na jíl. minerály, oxidy Fe a org. hmotu Ge(OH) 4 B esenciální mikroživina BO 2-, B 4 O 2-7, BO 2-3, H 2 BO 3-, B(OH) - 4 sorbován pevněji než ostatní anionty náhrada za Al 3+ a Si 4+ v jíl. minerálech sorpce na jíl. minerály a seskvioxidy (Al>Fe) 216

219 HALOGENY Fluor - F nejméně v L půdách humidních oblastech, více v T půdách může nahrazovat OH skupiny v minerálech minerály: fluoroapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2 nejběžnější fluoridy (CaF 2, AlF 3 ), aluminosilikáty (např. Al 2 (SiF 6 ) 2 ) mobilita: faktory mobility jílové minerály, ph, konc. Ca a P mobilní F je snadno sorbován jíl. minerály a P v kys. p. ji může zvyšovat NaF, KF, NH 4 F ve vápnitých. p. málo rozpustný CaF 2, málo rozpustné komplexy s Fe, Al, Si v sodných půdách vysoká mobilita díky Na komplexní ionty s Al řízení aktivity Al 3+ Halogeny Chlór - Cl Cl - a komplexní Cl ionty mobilní vyplavování nejvíce: solonce, solončaky, blízko moří Bróm - Br podobné chování jako Cl, snadné vyluhování vazba na org. hmotu, sorpce na hydroxidy Al a Fe a na jílové minerály Jód - I podobný Br, všechny sloučeniny snadno rozpustné sorpce na org. hm., jíl. minerály, hydratované oxidy Al a Fe v roztoku: I -, IO 3-, méně I 3-, IO -, H 4 IO - 6 isotopy: 129 I přírodní, 127 I v okolí atom. elektráren RADIONUKLIDY V PŮDĚ různé isotopy přirozeného i antropogenního původu Ce, Cs, Kr, Pu, Ra, Rn, Ru, Th, U aj. I, Co, Fe, Zn Ba, C, H, P, S Formy výskytu: kationty, oxyanionty, halidy organické komplexy a sloučeniny Chování: běžné reakce a procesy podle chemické a fyzikální povahy radioaktivní rozpad 217

220 Přehled nejvýznamnějších radionuklidů Isotop 14 C 60 Co 134 Cs 137 Cs 3 H 131 I 40 K 222 Rn 90 Sr 235 U 238 U Poločas rozpadu 5760 let 5,27 r. 2,06 r. 30,1 r. 12,3 r. 8,1 d. 1,3 x 10 9 r. 3,8 d. 29 let 7,1 x 10 8 r. 4,5 x 10 6 r. Zdroj / význam kosmogenní, jaderné reaktory a výbuchy jaderné reaktory a výbuchy všudypřítomný, pozaďové záření inertní plyn (proudění), pozaďové záření jaderné reaktory a výbuchy jaderné zbraně a reaktory, zdroj Rn CIZORODÉ ORGANICKÉ LÁTKY V PŮDĚ POXL = persitentní organické xenobiotické látky Původ - převážně antropogenní: zpracování ropy a ropné produkty odpadní kaly, vody a jiné odpady pesticidy aj. ochranné přípravky rozpouštědla, detergenty atmosférický spad aj. Nežádoucí působení: toxicita pro organismy vstup do potravního řetězce kontaminace podzemní vody Chování organických polutantů v půdě Faktory: vlastnosti POXL: rozpustnost a mobilita sorbovatelnost rozložitelnost toxicita vlastnosti půdy: zrnitost, obsah jílu ph obsah a kvalita OH sorpční schopnosti biologická činnost Procesy: akumulace sorpce a desorpce příjem organismy rozklad chemický rozklad biodegradace fotolýza odpaření vymytí smyv a eroze 218

221 Příklady organických funkčních skupin podle citlivosti k hydrolýze Rezistentní Alkany, alkeny Benzen, difenyly PAU, ClU (PCB) Aromatické aminy Alkoholy, fenoly, éthery Aldehydy, ketony Karboxylové kyseliny Snadno hydrolyzovatelné Alkyl halidy Amidy, aminy Karbamáty Estery karboxylových kyselin Epoxidy, nitrily Estery kyseliny fosforečné Estery kyseliny sírové Skupiny organických cizorodých látek a jejich příklady Pesticidy: insekticidy DDT, dieldrin, karbofuran herbicidy 2,4-D, triazin, alachlor, metobromuron nematocidy ethylen bromid, DCP fungicidy chlorothalonil Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU): benzo(a)pyren, fenanthren, xylen Skupiny organických cizorodých látek a jejich příklady Polychlorované aromatické uhlovodíky: PCB fenoly polychlorované dioxiny a furany 2,3,7,8-TCDD Rozpouštědla: benzen, toluen 219

222 Skupiny organických cizorodých látek a jejich příklady Uhlovodíky: alkany benzín, kerosen, nafta apod. Ostatní: povrchově aktivní látky silikony syntetické tuky plasty Biologická rozložitelnost organických polutantů v AE podmínkách Snadná: ropné uhlovodíky (benzen, toluen, etylen, xylene, benzín) těkavé org. sloučeniny (tri- a perchloretylen) pesticidy organická rozpouštědla Obtížná: PCB PAU Hlavní sledované organické polutanty v ČR Monocyklické aromatické uhlovodíky (MAU): benzen, toluen, xylen, styren, ethylbenzen Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU): fluoranthen, pyren, fenanthren, anthracen benzo(b)fluoranthen, benzo(k)fluoranthen, benzo(a)anthracen, benzo(a)pyren, indeno(cd)pyren benzo(ghi)perylen, chrysen, naftalen Chlorované uhlovodíky (ClU): PCB, HCB, DDT, DDE, DDD, HCH a jejich metabolity Nepolární uhlovodíky 220

223 Model chování pesticidů v půdě (BPS) E(Y) = b0+ b1x1+ b2x2+b3x3 + b4x4 b0 = absolutní člen b1 = regresní koeficient pro jíl (< 0,002 mm) b2 = regresní koeficient pro KVK b3 = regresní koeficient pro phkcl b4 = regresní koeficient pro Corg Model chování pesticidů v půdě (BPS) Vstupní údaje: databáze charakteristik pesticidů databáze charakteristik půdních typů (dle horizontů) databáze klimatu Výstupy: distribuční koeficienty pesticidů v půdních profilech rozložení koncentrace pesticidů v jednotlivých hloubkách půdního profilu v jednotlivých dnech po aplikaci Kd - values for herbicide Atrazine in the Topsoil of Czech Republic soils Kd - values for Atrazine Praha Kilometers 221

224 Kd - values for herbicide Atrazine in the Subsoils of Czech Republic soils Kd - values for Atrazine < > Kilometers KONTAMINACE PŮDY Rizikové prvky: přirozený i antropogenní původ nemohou být zcela rozloženy Cizorodé organické látky: převážně antropogenní původ možnost rozkladu (mikroorganismy) Ostatní: radioaktivita zasolení, dusičnany Kontaminace půd Funkce půdy z hlediska chování polutantů: filtrační zadržení pufrační imobilizace, omezení přístupnosti transformační mineralizace OL přeměna forem RP 222

225 Kontaminace půd Druhy kontaminace: bodová rozptýlená (difusní) Indikace kontaminace: mikrobní činnost rostlinné indikátory magnetometrické metody (RP) chemické analýzy problém: nízká specifičnost Kritéria kontaminace půdy Nutno zohlednit: potenciální nebezpečí fyto-, zoo-, humanotoxicita transferovou cestu půda rostlina zvíře člověk využití půdy (zemědělská p., lesní p., hřiště, POV ) půdní vlastnosti: půdní druh, organická hmota ph, sorpční vlastnosti použité analytické metody Jednoduchá kritéria: vyhl. MŽP č. 13/1994 Sb. Maximálně přípustné obsahy prvků v půdách dle vyhlášky MŽP č. 13/1994 Sb. Prvek Celkový obsah (mg.kg -1 ) Výluh 2M HNO 3 (mg.kg -1 ) lehké půdy ostatní lehké půdy ostatní As 30,0 30,0 4,5 4,5 Be 7,0 7,0 2,0 2,0 Cd 0,4 1,0 0,4 1,0 Co 25,0 50,0 10,0 25,0 Cr 100,0 200,0 40,0 40,0 Cu 60,0 100,0 30,0 50,0 Hg 0,6 0,8 - - Mo 5,0 5,0 5,0 5,0 Ni 60,0 80,0 15,0 25,0 Pb 100,0 140,0 50,0 70,0 V 150,0 220,0 20,0 50,0 Zn 130,0 200,0 50,0 100,0 223

226 Kritéria kontamince půdy Vícestupňová kritéria: Preventivní hodnoty (A) vycházejí z pozaďových hodnot (RP) a antropogenně difusních hodnot (POXL) určeny statisticky Indikační hodnoty (B) mez kontaminace (max. přípustný obsah) na základě ekotoxikologických studií a analýzy rizik Asanační hodnoty (C) též intervenční, akční hodnoty, mez intoxikace významné nebezpečí, nutnost zásahu (asanace, remediace) Kontaminace půdy v ČR Nejproblémovější oblasti (RP i POXL): fluvizemě Labe, Morava aj. severní a severozápadní Čechy severní Morava okolí Prahy Rizikové prvky: Příbramsko (Pb, Zb, Cd ) Kutnohorsko (As) Kontaminace půdy v ČR Relativní podíl vzorků s nadlimitním obsahem (% celkového počtu vzorků; zdroj - ÚKZÚZ) % 1,4 1,2 Cd 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Be Co Cr Cu Hg Ni Pb V Zn 0 224

227 MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF CZECH REPUBLIC: Element - Zn Content Low Medium low Medium Increased High Non classified Kilometers MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF CZECH REPUBLIC: Elements - Co, Cr, Ni, V, Mn, Cu Scale 1: Content very low low medium low medium high very high extremes non classified Rivers Towns Kilometers Scale 1: MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF THE CZECH REPUBLIC Element - Cd Content very low low medium low medium high very high extremes non classified Rivers Towns Kilometers Scale 1:

228 MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF CZECH REPUBLIC: Elements - Pb and Be Legend Low Medium High Non classified Kilometers Scale 1: Zranitelnost (vulnerabilita) půdy vůči znečištění Vulnerabilita půdy: pufrační schopnost půdy odolávat kontaminaci x kontaminace skutečné zatížení půdy založena na: mobilitě rizikových prvků příjmu RP rostlinami půdních vlastnostech MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY ZINC AND NICKEL Legend Extreme Very severe Severe Increased Mild Slight Very slight Non classified Rivers Towns Kilometers Scale 1:

229 MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY CADMIUM Legend Extreme Very severe Severe Increased Mild Slight Very slight Non classified Kilometers Scale 1: MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY COPPER Legend Very severe Severe Medium Slight Very slight Non classified Kilometers Scale 1: MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY LEAD Legend Very severe Severe Medium Slight Very slight Non classified Kilometers Scale 1:

230 MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY BERYLIUM Legend Very severe Severe Medium Slight Very slight Non Classified Kilometers Scale 1: MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY ARSENIC Legend Very severe Severe Slight Very slight Non classified Kilometers MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY CROMIUM Legend Severe Slight Very slight Non classified Rivers Towns Kilometers Scale 1:

231 REMEDIACE PŮDY cesta k odstranění poškození půdy a obnově jejích základních funkcí odstranění příčin problému (prevence) ošetření následků z angl. remedy = napravit, dát do pořádku =lék, léčebný prostředek, náprava, pomoc náprava stávajícího stavu Rozdělení remediačních metod Podle místa provedení na místě (in situ) dekontaminace odtěžené zeminy (excavated methods, ex situ) - omezeno výměrou, zpravidla dražší (transport) on site x off site Podle cíle stabilizační omezení nebezpečnosti dekontaminační odstranění kontaminantu z půdy nebo jeho rozklad Rozdělení remediačních metod Podle dopadu mírné (gentle) základní funkce půdy se zachovají tvrdé (harsh) výrazné poškození půdy Podle způsobu provedení (organizační) fyzikální chemické biologické (bioremediace) 229

232 Faktory volby remediace druh znečištění druh, množství a forma kontaminantu původ zdroj a stáří znečištění závažnost znečištění velikost plochy a její využití účinnost a rychlost metod proveditelnost, technická a finanční náročnost možné důsledky použití metody místní podmínky, půdní vlastnosti a přírodní podmínky vlastnické a právní vztahy, zájmové skupiny Využívané vlastnosti polutantů těkavost rozpustnost a polarita chemicko-tepelná (ne)stálost biologická rozložitelnost, přijatelnost sorpce a precipitace elektro-magnetické vlastnosti velikost, tvar, specifická hmotnost (hustota) Remediace odtěžené zeminy Odstranění půdy a uložení na jiném místě Extrakce (vyluhování) 3 fáze: 1) míchání zeminy s činidlem 2) oddělení extraktu 3) ošetření extraktu činidla: anorg. kyseliny a hydroxidy, org. kyseliny a org. rozpouštědla, komplexotvorná činidla omezení: - pouze lehké půdy - poškození p. struktury, OH, mikrob. života cena: $50-150/t 230

233 Remediace odtěžené zeminy Chemicko-tepelný rozklad 2 fáze: 1) zahřátí 2) oxidace kontaminantů v plynné fázi použití:- těkavé organické l. (t ~ C) -Hg, Se - teoret. As, Cd, Pb, Zn - t ~ >800 C cena: ~ $150/t Zařízení pro chemicko-tepelnou remediaci půdy kontaminované PCB Remediace odtěžené zeminy Separace, třídění hydrocyklóny odstředění gravimetrická separace (vytřásadla apod.) proudové systémy na principu různé sedimentace magnetická separace Solidifikace smíchání s materiálem na bázi cementu tvrdá neporézní hmota Spalování ( C) Tavení, vitrifikace 231

234 Remediace na místě Přirozené zeslabení ponechání půdy bez zásahu postupné samovolné vyčištění (částečné) rozklad, sorpce, precipitace, vypaření aj. problémy pohyb polutantů, příp. toxické meziprodukty, změny podmínek, dlouhodobost Ředění smíchání s nekontaminovanou zeminou Remediace na místě Extrakce promýváním 3 fáze: 1) extrakce promýváním 2) zachycení a odčerpání extraktu 3) ošetření extraktu činidla: nejčastěji voda (popř. ředěné kyseliny, chelatační činidla, přídavky povrchově aktivních látek ) použití: - rizikové prvky, anionty - organické polutanty, radioaktivní látky - pouze lehké půdy s nepropustným podložím Zpracování odpadu Injektážní sonda Kontaminovaná půda Extrakční sonda Injektážní sonda Kontaminovaná podzemní voda Proudění podzemní vody Schéma zařízení pro dekontaminaci extrakcí 232

235 Remediace na místě Extrakce výparem těkavé organické látky Předpoklady: -těkavost polutantů - nízká vodorozpustnost nebo nízká vlhkost - kontaminace nad hladinou podzemní vody - propustnost půdy (písčité půdy) Zařízení pro extrakci půdy výparem Pasivní nebo aktivní vhánění vzduchu Odsávač Filtry s aktivovaným uhlím Betonový kryt Nenasycená zóna Bentonitová vrstva Štěrkový filtr Mřížka Půdní vzduch Kapilární zdvih Hladina podzemní vody Remediace na místě Elektrokinetické procesy Princip: transport elektricky nabitých částic elektroosmosa (roztoky) elektroforéza (koloidy) elektrolýza (ionty, komplexy) Použití: in i ex situ, neničí půdu, i pro S a T půdy RP, radionuklidy, anionty (dusičnany, sírany, kyanidy) ropné uhlovodíky, PCB, PAU Možno kombinovat s: bioremediací, oxidací aj. degradací, fixací, extrakcí přídavkem povrchově aktivních látek aj. Cena: $10-100/m 3 233

236 Povrch půdy Elektroosmotický tok Degradační zóna Kontaminovaná půda Degradační zóna Schéma zařízení pro elektroosmotickou remediaci Pozn.: Elektroosmotický tok lze obrátit změnou polarity elektrod. Vakuový odsávač Zásobník elektrolytu Schéma zařízení pro remediaci půdy elektrolýzou Vakuový odsávač Anodová extrakční nádrž Voda nasycená těžkými kovy Čistá voda _ Zdroj energie + Půda Pohyb kontaminovaná iontů těžkými kovy Anoda Katoda Polní elektrody Katodová extrakční nádrž Pryskyřice - iontová výměna Remediace na místě Degradace chemická degradace (hydrolýza, oxidace/redukce apod.) fotolýza fotochemická transformace biodegradace Imobilizace úprava půdních vlastností (např. úprava ph) půdní přídavky (aditiva): - jednoduché sloučeniny - sulfidy, karbonáty, fosforečnany - anorganické sorbenty zeolity, bentonity, jílové minerály, Thomasova struska, goethit, ocelové piliny, apatity aj. - organické sorbenty statková hnojiva, komposty, sláma, kaly, aktivované uhlí, syntetické pryskyřice - komplexotvorná činidla (EDTA, tetren) 234

237 Mikrofotografie hydroxyapatitu (vlevo) a CaHPO 4 (vpravo), samostatně (nahoře) a po reakci s 500 mg Pb.l -1 (dole). Remediace na místě Solidifikace cement, sádra, silikáty, pryskyřice, asfalt Vitrifikace -přeměna na skelnou hmotu pomocí silného el. proudu (4 elektrody) ~ C odsávání těkavých produktů z povrchu ~ $ /m3 Izolace - jílové vrstvy, bariéry, zdi, zakrytí půdy Reaktivní bariéry mají rozložit polutanty pohybující se horizontálně s podzemní vodou důležité: poloha, orientace a tloušťka bariér Bioremediace = využití organismů pro remediaci půd Procesy: Biodegradace - odbourání vysokých obsahů kontaminantů Biotransformace -přeměna kontaminantu na méně nebezpečné formy Přístupy: přirozené zeslabení (bez zásahu) stimulovaná mikrobní aktivita inokulace specifickými mikroorganismy ošetření specifickými enzymy 235

238 Bioremediace - metody Land farming rozprostření kontaminované půdy v tenké vrstvě biodegradace, biotransformace + ředění zvláště pro pesticidy Kompostování zvýšení mikrobiální činnosti Bioreaktory ex situ Provzdušňování půdy (Bioventing) vhánění vzduchu do nenasycené půdy podpora a urychlení přirozených procesů může být doplněno přídavky (živiny aj.) Stimulovaná biodegradace provzdušňování (bioventing) Fytoremediace = využití vyšších rostlin pro remediaci půd Fytostabilizace a fytoimobilizace vegetační pokryv k omezení eroze a vyplavení možno doplnit přídavky do půdy Fytovolatilizace převedení polutantů (např. Hg, Se) do těkavých forem pomocí rostlinných enzymů Fytotransformace rozklad polutantů v metabolismu rostlin Fytoextrakce postupné odčerpání kontaminantu rostlinami 236

239 Fytoextrakce a) Přirozená: - hyperakumulační rostliny b) Indukovaná: - použití chemických sloučenin pro zvýšení příjmu RP - zejména chelatační činidla (EDTA, DTPA, kys. citronová ) Výhody: poměrně nízká cena (~ $ za m 3 ), šetrnost k ŽP Problémy a omezení: dlouhodobost možný přenos kontaminantů zavádění nepůvodních organismů likvidace biomasy pouze pro mělké znečištění ( cm) Fytoextrakce Porovnání příjmu kovů mezi hyperakumulační a neakumulující rostlinou Neakumulující rostlina Hyperakumulátor Přístupný kov Nepřístupný kov Čas Zásoby odebrané rostlinami Tato hranice závisí na druhu rostliny a růstových podmínkách Thlaspi caerulescens (Zn, Cd, Pb aj.) 237