Pedogeochemie 4. přednáška VODA V PŮDĚ Půdní voda = veškerá voda vyskytující se trvale nebo dočasně v půdním profilu (kapalná, pevná, plynná fáze) 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 povrchový a podzemní přítok závlahy (voda z odumřelých kořenů a mikroorganismů) Výstupy povrchový a podzemní odtok evaporace transpirace 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 Retenční schopnost půdy 1 ha 10.000 m 2 hloubka ~0,7 m 7.000 m 3 pórovitost ~50 % 3.500 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
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 - Φ [J.kg -1 ] na jednotku objemu vody - [ Pa = N.m -2 ] na jednotku tíhy vody (hmotnost x g) - H [m] určuje poutání a pohyb vody v půdě lze rozdělit na složky (dílčí potenciály) Potenciál půdní vody - složky Gravitační potenciál - ϕ g, h g dán zemskou tíhou ϕ g = g.z, příp. h g = z kde: g je tíhové zrychlení, z výška nad hladinou podzemní vody Vlhkostní potenciál - ϕ w, h w působení rozdílných vlhkostí matriční síly j j j k í tl k ( dtl k) Potenciál půdní vody - složky Pneumatický potenciál - ϕ a, h a vnější tlak plynů Zátěžový potenciál - ϕ e, h e zatížení půdy, deformace Osmotický potenciál - ϕ o, h o rozdíl koncentrace rozpustných solí Potenciál půdní vody Celkový potenciál Φ, H Φ = ϕ g + ϕ w + ϕ a + ϕ e + ϕ o H= h g + h w + h a + h e + h o při záporném potenciálu půda poutá vodu Tlakový (tenzometrický) potenciál - ϕ p, h p tlak měřený tenzometrem ϕ p = ϕ w + ϕ a + ϕ e h p = h w + h a + h e Tenzometr 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
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 Retenční čáry vlhkosti (pf křivky) = grafické zobrazení vztahu mezi vlhkostí půdy a vlhkostním potenciálem (resp. sacím tlakem nebo tlakovou výškou) Hystereze Tlaková výška h (cm) či pf (=log h) vlhkost objemová θ (%)
Hystereze 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 převládají kapilární síly (adheze a koheze) výška vzlínání max. 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 Adsorpční isotermy vody Půdní hydrolimity = vodní charakteristiky (vlhkosti) vyjadřující vztahy půdy a vody a jejich změny charakterizovány: vlhkostí pf hodnotami (log tlakové výšky) ADSORBOVANÁ VODA (%) Základní hydrolimity objektivně existující půdní vláhové charakteristiky rozmezí energetických kategorií půdní vody RELATIVNÍ TLAK PAR H 2 O (%) 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 Půdní hydrolimity aplikované Bod vadnutí - BV minimální mez fyziologicky využitelné vody vlhkost, kdy jsou rostliny trvale nedostatečně zásobeny půdní vodou a vadnou smluvně: 15.10 5 Pa (1,5 MPa), nebo pf = 4,18 Polní vodní kapacita - PK ustálený (kvazistacionární) stav vlhkosti přirozeného půdního profilu po nadměrném zavlažení shora Klasifikace půdní vody podle Drbala (1962) Odsávací křivka neporušeného p. vzorku
Příčný řez kořenem obklopeným půdou ve vlhké (a) a suché (b) půdě 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. ΔH/L = K. I kde: K koeficient filtrace ΔH rozdíl výšek hladin L délka sloupce zeminy ΔH/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 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: předpoklady řešení : kde: θ vlhkost t čas z vzdálenost mezi místy k nenasycená hydraul. vodivost Φ potenciál půdní vody znalost vztahů mezi vlhkostním potenciálem a vlhkostí definování počátečních a okrajových podmínek 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 výskytu brzdících vrstev v profilu době trvání 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] 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) Vodní režimy půdy Soil Taxonomy Akvický (aquic) redukční podmínky, nepřítomnost O 2 Udický (udic) > 90 po sobě jdoucích dnů vlhké, < 45 psj. dnů suché perudický srážky > výpar po celý rok Ustický (ustic) přechod mezi aridním a udickým Aridní (aridic a torric) > polovinu roku suché, < 90 po sobě jdoucích dnů vlhké Xerický (xeric) > 45 psj. vlhké (zima), > 45 psj. dnů suché (léto) Udický vodní režim Soil Taxonomy Vodní režimy perudický udický Humidita xerický ustický využití nedostatek zavlažení nadbytek aridní zavlažení nadbytek využití nedostatek 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 30-40 %) 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 přítomny další plyny: H 2 S, N 2 O, C 2 H 4, H 2 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 % 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