Pedogeochemie 3. přednáška 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 polysacharidy bílkoviny lignin 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 OH... disociují H nebo OH chování podle prostředí hydroxylované seskvioxidy (oxyhydroxidy) 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) Koloidní micely jílové minerály nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční) COO COO O jádro O COO nepohyblivá část difusní část SiO 2 nepohyblivá část difusní část
Koloidní micely seskvioxid Fe nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční) Koloidní micely Průběh fázového potenciálu na Sternově dvojvrstvě FeO FeO Fe 2O 3.nH 2 O FeO FeO FeO FeO nepohyblivá část difusní část Fe(OH) 3 (FeO) H 2 O OH Elektrokinetický potenciál ξpotenciál vzniká odtržením (části) difusní části kompenzujících iontů v elektrické dvojvrstvě koloidní micely při pohybu Přitažlivé a odpudivé síly mezi koloidy Difusní vrstvy vysoké hodnoty ξ peptizace (sol) ξ = 0 = isoelektrický bod (IB) koagulace (gel) Flokulační síla : Me <Me 2 <Me 3 <Me 4 ζ Nabitý povrch pevné částice náboj difusních vrstev náboj povrchu částic van der Waalsovy síly organické můstky Nabitý povrch pevné částice Li <Na <K <NH 4 < Rb <Cs Mg 2 <Ca 2 <Sr 2 <Ba 2 c Upraveno dle Calvet, 2003 Stabilita koloidních systémů koagulace SOL GEL peptizace 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 Koncentrace iontů kritické pro koagulaci (mol.m 3 ; Sposito, 1989) Minerál Oxyhydroxidy Al Oxyhydroxidy Fe Illit Kaolinit Montmorillonit C(1) (ox. č. = 1) 50 ± 9 11 ± 2 48 ± 11 10 ± 4 8 ± 6 C(2) (ox. č. = 2) 0,5 ± 0,2 0,21 ± 0,01 0,14 ± 0,02 0,3 ± 0,2 0,12 ± 0,02 C(2)/C(1) 0,01 0,019 0,003 0,03 0,015
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 PŮDNÍ STRUKTURA prostorové uspořádání půdních částic Stav uspořádání: elementární slitý půdní škraloup agregátový Tvorba struktury: desagregace agregace cementace Faktory tvorby struktury Vliv iontů na strukturu zrnitost (textura) koagulace koloidů přítomnost vícemocných kationtů hydroxidy a seskvioxidy Al a Fe humusové látky ζ interakce mezi jílnatými částicemi a molekulami organické hmoty půdní organismy zpracování půdy fyzikální síly (objemové změny, mráz, vlhkost) 0 c Vztahy mezi půdními částicemi Typy struktury podle velikosti Mikrostruktura < 0,25 mm Makrostruktura 0,25 50 mm Megastruktura > 50 mm
Hierarchie půdních agregátů Typy struktury podle tvaru STRUKTURNÍ ELEMENTY rovnoměrně vyvinuté vertikálně protažené horizontálně protažené zaoblené ostrohranné hranolovitá deskovitá 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 kulovitá zrnitá svrchní část bez zaoblení polyedrická prismatická svrchní část zaoblená sloupkovitá Typy struktury podle tvaru Elementární stav, 1 kulovitá 2 polyedrická 3a hranolovitá 3b sloupkovitá 4 deskovitá Nevyvinutá struktura, spraš Drobtovitá struktura drnový horizont, ideální stav Hrudkovitá struktura typická pro podorničí Drobtovitá struktura svrchní části ornice, meziplodiny Smíšená struktura 50% drobtů a 50% hrudek
Deskovitá struktura zpracováním půdy nedotčené luvizemě Půdní škraloup 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 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 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 vyjadřuje se: jako bezrozměrné číslo (0,250,7) v procentech objemu půdy (2570 %) nejčastější hodnoty: 4050 % ρ z ρ d P = * l00 [%] ρ z Dělení půdních pórů Pórovitost: meziagregrátová hrubší póry vnitroagregátová jemnější póry ideální stav: celková pórovitost 4050 % 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 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 2 G = π r htρ wg ρ w = měrná hmotnost vody (10 3 kg m 3 ) g = tíhové zrychlení (9,81 m s 2 ) F = G σ = povrchové napětí vody (N m 1 ) h t = výška vzlínání do rovnovážného stavu (m)
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 σ = povrchové napětí vody (N m 1 ) h t = tlaková výška (m) ρ w = měrná hmotnost vody (10 3 kg m 3 ) p= použitý tlak (Pa) g = tíhové zrychlení (9,81 m s 2 ) Zhutnění (utužení) půdy Druhy: přirozené (asi 20 % našich půd) technogenní (těžká mechanizace) Frekvence přejezdů během roku (Kroulík, 2007) Pokryv pozemku přejezdy během roku (Kroulík, 2007) Zhutnění (utužení) půdy Důsledky: snížení pórovitosti, zvýšení objemové hmotnosti omezení mikrobiální činnosti omezení vývoje kořenů snížení propustnosti pro vodu i vzduch zhoršení obdělavatelnosti Konvenční orební způsob hospodaření Minimální zpracování půdy