Základy pedologie a ochrana půdy 7. přednáška 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) 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 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 NH 4 H - - Mg (angl.: BS - base saturation) 2 - - Al 3 Na S - T - H H - T = KVK = S H K - - Ca 2 H (mmol().100g -1 K ) V = S/T. 100 (%) Metody stanovení KVK promývání zředěnou kyselinou následná titrace hydroxidem sumační metody extrakce hlavních kationtů použití iontoměníčů (pryskyřice) konduktometrická titrace změny vodivosti při titraci suspenze hydroxidem metody indexového iontu nasycení iontem z roztoku soli vymytí přebytku soli vytěsnění a stanovení Na (octan sodný), Ba 2 (BaCl 2, BaSO 4 ) aj. potenciální (pufrovaný roztok) nebo efektivní KVK promývání nebo protřepávání a odstřeďování Kationtová výměnná kapacita Hodnocení (ČR): 8-12 mmol().100g -1 nízká až velmi nízká 13-24 mmol().100g -1 střední 25-30 mmol().100g -1 vysoká > 30 mmol().100g -1 velmi vysoká Jednotlivé složky půdy (mmol.100g -1 ) Kaolinit 3-12 HK 350-500 Illit 20-40 FK 400-700 Vermikulit 120-150 Montmorillonit 70-110 Chlorit 30-50 Nasycenost sorpčního komplexu Hodnocení: Sorpční komplex V (%) plně nasycený 100 90 nasycený 90 75 slabě nasycený 75 50 nenasycený 50 30 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
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 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 r = 0,14 nm 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 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) a v = a/t Způsoby studia sorpce molekul a slabých elektrolytů 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 a = a max k c 1 k c c 1 = a k a c max a max t t
Klasifikace isoterem (Gilles et al., 1960) PŮDNÍ ORGANISMY H vysoká afinita sorbátu vůči povrchu (často sorpce iontů) L molekuly poutané na plocho, nebo silná mezimolekulární afinita S poutání kolmo k povrchu sorbentu C lineární průběh (Henryho isoterma) sorbát proniká do sorbentu stejně snadno jako solvent a H L C S c = živá složka půdy živočišná rostlinná Živé orgány vyšších rostlin: různorodý materiál doplňování humusotvorného materiálu Edafon: soubor organismů přítomných v půdě celými těly migrace, rychlejší množení (mikroorganismy) dynamičtější skupina Třídění edafonu podle R/Ž říše Fytoedafon (flóra): řasy, bakterie, houby, mikromycety, aktinomycety Třídění edafonu podle velikosti Makroedafon: krtci, hraboši, křečci Mesoedafon 80-0,2 mm červi, měkkýši, členovci Zooedafon (fauna) savci, červi, prvoci, měkkýši Mikroedafon < 0,2 mm bakterie, prvoci, sinice, řasy, aktinomycety, Třídění edafonu podle velikosti 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 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 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 -1 1990 2 790 výměnný Mg mg.kg -1 162 492 výměnný K mg.kg -1 32 358 přístupný P mg.kg -1 9 67 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 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
Rychlost rozkladu Faktory ovlivňující složení a činnost edafonu 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. složení půdy minerální složení, zrnitost organická hmota vlhkost provzdušnění půdní reakce redox potenciál sorpce v půdě teplota rostliny kontaminace půdy Nároky mikroorganismů na ph prostředí 10 tolerance k alkalitě Aktinomycety většina bakterií 7 ph půdy většina hub Půdní enzymy Vnitrobuněčné: živé buňky dormantní buňky buněčný odpad Mimobuněčné: imobilizované enzymy volné enzymy Bakterie oxidující S (Thiobacillus) 2 tolerance k aciditě 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