Sastav i procesi u zemljištu

Transcript

1 Univerzitet u Nišu Prirodno-matematički fakultet Sastav i procesi u zemljištu Četvrto predavanje

2 Cilj predavanja 1. Zemljište - pojam, definicija, nastanak 2. Sastav zemljišta (zemljište kao trofazni sistem, elementarni i mineraloški sastav, organska materija zemljišta) 3. Osobine zemljišta (fizičke: veličina čestica, tekstura, gustina, struktura, permeabilnost; hemijske: ukupni elementi, dostupni elementi, CEC, zemljišta sa promenljivim naelektrisanjem, ph zemljišta; profil zemljišta)

3 Zemljište igra važnu ulogu u procesima u životnoj sredini osnovni činilac životne sredine Veze između ciklusa C, N, O, P i S nalaze se u zemljištu: dekompozicija organske materije, nitrifikacija, denitrifikacija, fiksacija fosfora, oksidacija sulfida,... Zemljište Atmosfera Hidrosfera

4 Šta je zemljište? Zemljište je prirodno telo nastalo pod uticajem živih organizama, a sastoji se od čvrste (minerali i organska materija), tečne i gasovite faze. Na površini se graniči sa vazduhom, vodom i biljnim materijalom (koji nije započeo razgradnju). Smatra se da neka površina nije prekrivena zemljištem ukoliko je površina stalno prekrivena vodom (više od 2.5 m). Donju granicu, koja razdvaja zemljište od nezemljišta, je teško definisati. U cilju klasifikacije, donja granica se arbitrarno postavlja na 200 cm.

5 Zemljište kao trofazni sistem

6 Kako nastaje zemljište? Raspadanjem stena nastaje rastresita masa litosfere. Ova masa dobija mnoge nove osobine: postaje propustljiva za vodu i vazduh, povećava se ukupna površina čestica, koje zato postaju aktivnije, tako da se i hemijski procesi koji se odvijaju u njoj ubrzavaju. Stenski materijal se može pretvoriti u zemljište, tek učešćem organizama, pre svega biljaka.

7 Pedogenetski faktori matična stena - matični supstrat ili regolit organizmi klima reljef vreme čovek

8 Elementarni sastav zemljišta U sastav zemljišta ulaze svi poznati elementi (1015 elemenata najzastupljeniji). Elementarni sastav zavisi od vrste zemljišta (usled različitog sastava stena iz kojih se zemljište formiralo) i od zemljišnog horizonta (starost zemljišta). Pedosfera je bogatija Si, C, N od litosfere, ali je siromašnija Ca, Mg, Na, K od litosfere. ukupni elementi dostupni elementi Dostupni elementi su onaj deo elemenata koji mogu da učestvuju u hemijskim i biološkim reakcijama.

9 Mineraloški sastav zemljišta

10 Organska materija zemljišta Zastupljena sa 1-5 težinskih%. Najvažniji izvor OM su biljna tkiva (u različitim fazama raspadanja). Biomasa zemljišta - mikroorganizmi zemljišta (bakterije, gljive, aktinomicete, alge) čine od 0,05 do 0,5% mase površinskih 15 cm zemljišta u prirodnom okruženju. Veoma su važni za nastanak zemljišta.

11 Fizičke osobine zemljišta Veličina čestica Tekstura Gustina Struktura Permeabilnost

12 Veličina čestica (International Society of Soil Science) Glina Prašina Pesak sitan 2 μm 20 μm Šljunak grub 200 μm 2 mm Pesak: lak, dobra drenaža, lako se aeriše. Najvažnija komponenta kvarc i feldspati; relativno inertni, slab izvor nutrijenata. Glinovita zemljišta su teška, imaju lošu drenažu i aeraciju. Komponente su: minerali gline, organska materija, primarni minerali i hidratisani oksidi Fe i Al. Velika ukupna površina čestica, učestvuje u jonoizmenjivačkim i/ili adsorpcionim reakcijama. Adsorptivna sposobnost zemljišta, sposobnost zadržavanja se skoro nutrijenata vezana je za glinovitu frakciju.

13 Pesak Može se videti golim okom. Prilikom uzorkovanja rukom ne zadržava se u ruci. Prašina Suva: praškasta i daje puderast osećaj - poput brašna. Mokra: mekan i klizav osećaj. Nije lepljiva i nema plastična svojstva. Može se videti lupom ili mikroskopom. Prilikom uzorkovanja rukom stvara prevlaku na ruci, može se ostrugati sa ruke. Glina Suva: tvrda. Mokra: Lepljiva, plastični osećaj. Može se videti elektronskim mikroskopom. Prilikom uzorkovanja rukom lepi se za prste.

14 Tekstura zemljišta Predstavlja odnos disperznih frakcija izraženih u % u uzorku suvog zemljišta. Određuje se na osnovu trokomponentnog dijagrama. Važno svojstvo jer određuje primenu zemljišta.

15 Osobine zemljišta koje proističu iz njegove teksture Poroznost Permeabilnost Bubrenje-skupljanje Kapacitet zadržavanja vode Erodabilnost

16 Zemljišta sa finom teksturom Velika količina prašine i gline, što ih čini blatnjavim kada su mokra. Veličina pora je mala, ali ih ima mnogo pa zadržavaju vodu. Kada glinovita zemljišta počnu da se suše, ona i dalje mogu da zadrže veliku količinu vode, ali adhezivna i kohezivna svojstva vode, čine vodu nedostupnom za biljku.

17 Zemljišta sa finom teksturom

18 Zemljišta sa grubom teksturom Veličina pora je veća, što dopušta vodi da lako otiče kroz zemljište van zone korena. Sklona isušivanju. Mala specifična površina čestica redukuje plodnost zemljišta.

19 Zemljišta sa grubom teksturom

20 Ilovačasta zemljišta Smeša peska, prašine i gline koja je optimalna za agrokulturu.

21 Primer: 35% gline 30% prašine 35% peska Glinovita ilovača

22 Uticaj frakcija zemljišta na njegove osobine i ponašanje u prirodi Osobina/Ponašan je Pesak Prašina Glina Kapacitet zadržavanja vode Nizak Srednje visok Visok Aeracija Dobra Srednja Niska OM razlaganje Brzo Srednje Sporo Potencijal erozije vodom Nizak Visok Nizak Siromašno Srednje visoko Visoko Izraženo Srednje Nisko Snabdevanje nutrijentima Izluživanje polutanata

23 Zemljišna tekstura i specifična površina Smanjenjem veličine čestica, raste specifična površina. Glina ima oko puta veću površinu od peska. Specifična površina ima veliki uticaj na: kapacitet zadržavanja vode, hemijske reakcije, koheziju zemljišta, sposobnost održavanja mikroorganizama.

24 Gustina zemljišta ukazuje na sastav zemljišta, tj. na relativan odnos organske materije i minerala. Gustina individualnih čestica - gustina čvrste faze (particle density). Manja od 1g/cm3 za OM, veća od 5 g/cm3 za neke metalne okside ili 7 g/cm3 za manje česte minerale kao što su metalni sulfidi. Zapreminska gustina zemljišta (bulk density) je gustina u prirodnom, neporemećenom sklopu, uključuje prostor pora između čestica; manja je od gustine čvrste faze.

25 Površinski sloj zemljišta, sa dovoljnom količinom peska, pokazuje zapreminsku gustinu od 1,2 do 1,8 g/cm3. Zemljišta sa višim sadržajem humusa, pokazuju manju zapreminsku gustinu, od 1,0 do 1,6 g/cm3, zbog manje čestične gustine i zbog veće ukupne poroznosti koja nastaje između i unutar strukturnih agregata pod uticajem humusa.

26 Kada je poznata gustina čvrste faze i zapreminska gustina, može se izračunati poroznost zemljišta: čestična gustina zapreminska gustina Poroznost zemljišta (vol %) 100 čestična gutina Zemljišta sa velikom zapreminskom gustinom imaju nisku poroznost, pa samim tim nisku permeabilnost. Po pravilu peskovita zemljišta pokazuju poroznost od 35 do 50%, zemljišta sa većim sadržajem OM pokazuju veću poroznost od oko 60%. Sa porastom dubine zemljišta, zemljište postaje kompaktnije od površinskog zemljišta i obično sadrži nizak % OM tako da se i poroznost smanjuje.

27 Struktura zemljišta Mehaničke frakcije se međusobno povezuju u strukturne agregate različite forme i veličine. Skup agregata predstavlja strukturu zemljišta. Prirodni lepak zemljišta (cementna materija) su koloidi organskog i neorganskog sastava (Ca-humat). Koloidi slepljuju čestice gline, praha i peska u mikroagregate. Mikroagregati se međusobno lepe u makroagregate.

28 Permeabilnost zemljišta ili hidraulična provodljivost je mera sposobnosti zemljišta da propušta vodu naniže. Stepen lateralnog kretanja podzemnih voda u dubljim slojevima zemljišta, takođe je određen permeabilnošću. Brzina kretanja vode naniže se obično kreće 1 5 cm3/h (0,5 cm3/h veoma sporo, 15 cm3/h veoma brzo). Zavisi od teksture zemljišta (grub pesak u pustinjama ima veliku permeabilnost, dok aluvijalna zemljišta fine strukture mogu pokazati veoma nisku permeabilnost). Zemljišta sa razvijenom strukturom su propustljivija od onih bez definisane strukture. Važna osobina zemljišta jer utiče na hemijske procese. Tako, zemljišta sa malom permeabilonšću, mogu da postanu poplavljena, što dovodi do stvaranja potencijalno redukcionih uslova. Zatim, permeabilnost utiče na transport hemikalija kroz zemljište.

29 Katjonoizmenjivački kapacitet CEC (cation exchange capacity) Sposobnost zemljišta da zadržava nutrijente i sprečava da dođe do njihovog izluživanja. Katjoni su + naelektrisani joni = Ca2+, Mg2+, K+, NH4+ Zemljište koje ima veći katjonoizmenjivački kapacitet uglavnom će imati i veću plodnost.

30 Katjonska izmena Interakcija između katjona u rastvoru i drugog katjona na površini nekog negativno naelektrisanog materijala, kao što je glina ili organska materija. Zemljišni rastvor Zemljišni rastvor H+ zemljište + Ca2+ Ca2+ + 2H+ H+

31

32 Na katjonsku izmenu utiče: 1) jačina adsorpcije: Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ =NH4+ > Na+ >H+ Čvrsta interakcija > lako se zamenjuju 2) relativna koncentracija katjona u rastvoru zemljišnom

33 ph zemljišta Aktivna kiselost potiče od koncentracije H+ jona u zemljišnom rastvoru Rezervna kiselost - označava H+ i Al3+ koji se mogu zameniti drugim katjonima (pozitivno naelektrisanim jonima) HHHH H zemljište Mg Ca H H H Na Rezervna kiselost Mg2+ Ca 2+ H+ H+ Ca2+ H+ H+ H+ H+ Aktivna kiselost-zemljišni rastvor

34 ph zemljišta Zemljišta bogata karbonatnim mineralima pokazuju tendenciju da budu alkalnija. S druge strane, zemljišta bogata huminskim materijama su često, mada ne uvek, kisela. Zemljišta sa povećanim sadržajem Fe i Al su takođe kisela zbog hidrolize gvožđe(iii) i aluminijum(iii) katjona. Promena redoks statusa zemljišta, menja njegovu ph vrednost. Tako, ukoliko zemljište koje sadrži hidratisani gvožđe oksid bude potopljeno vodom, gvožđe(iii) oksid se redukuje: Fe(OH)3 (s) + 3H3O+ (aq) + e- Fe2+ (aq) + 6 H2O

35 Izvori kiselosti zemljišta * Katjoni vodonika i aluminijuma su odgovorni za zemljišnu kiselost * Izmenjivi vodonik je glavni izvor H+ na ph 6 i iznad. Ispod ph 6 aluminijum je glavni izvor H+ usled disocijacije Al iz glinenih minerala. Aluminijum postaje rastvorljiviji pri nižim ph vrednostima: Al3+ + H > Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O ---> Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H20 ---> Al(OH)3 + H+

36 Zemljišta sa promenljivim naelektrisanjem Ukoliko zemljište sadrži hidratisane okside Fe i Al, tada ono ima ph-zavisno površinsko naelektrisanje. CEC ovakvih zemljišta sa promenljivim naelektrisanjem zavisi u prvom redu od ph okruženja. ph okruženja manje od ph zemljišne komponente, tada je komponenta protonovana, pa je ukupno površinsko naelektrisanje pozitivno, zemljište razvija AEC (anion exchange capacity). ph okruženja veća od ph zemljišne komponente, ukupno površinsko naelektrisanje ovog materijala postaje negativno pa doprinosi CEC vrednosti zemljišta.

37 Kod takvih zemljišta prirodni i antropogeni faktori mogu da utiču na izmenjivačke procese. Merenje izmenjivačkog kapaciteta ovakvih zemljišta treba vršiti pri ph vrednosti sličnoj ph vrednosti okruženja tj. zemljišta. Pored ph vrednosti i prisustvo drugih hemijskih vrsta, koje mogu biti adsorbovane na zemljišnim mineralima, može bitno promeniti površinsko naelektrisanje.

38 Tako, fosfat se jako zadržava u zemljištima bogatim gvožđem i aluminijumom. Ukoliko fosfat zameni molekule vode iz hidtarisanih oksida, onda fosfat povećava negativno naelektrisanje minerala. Za povećanje CEC zemljišta (jako degradirana tropska zemljišta).

39 Sastav zemljišta jako varira kako u horizontalnom tako i u vertikalnom pravcu. Spoljašnja i unutrašnja morfologija zemljišta Serija horizontalnih slojeva koji se razlikuju po boji i/ili teksturi horizonti Skup zemljišnih horizonata čini zemljišni profil.

40 Pitanja za utvrđivanje trinaestog predavanja

41 Prvo pitanje Zemljišta koja su nastala od istog matičnog susptrata imaće isti hemijski sastav i osobine. Tačno Netačno

42 Drugo pitanje Sposobnost zadržavanja nutrijenata u zemljištu određena je najkrupnijom frakcijom zemljišta peskom. Tačno Netačno

43 Treće pitanje Čestice glinovite frakcije zemljišta mogu se videti golim okom. Tačno Netačno

44 Četvrto pitanje Ilovačasta zemljišta imaju optimalnu teksturu. Tačno Netačno

45 Peto pitanje Izluživanje polutanata će biti najbrže kod zemljišta sa velikim udelom glinovite frakcije. Tačno Netačno

46 Šesto pitanje Smanjenjem veličine čestica zemlje, raste ukupna specifična površina zemlje. Tačno Netačno

47 Sedmo pitanje Zapreminska gustina zemljišta i poroznost zemljišta su obrnuto proporcionalne veličine. Tačno Netačno

48 Osmo pitanje Zemljišta koja pokazuju malu permeabilnost mogu lako da postanu poplavljena. Tačno Netačno

49 Deveto pitanje Zemljišta sa većim katjonskim izmenjivačkim kapacitetom pokazuju manju plodnost. Tačno Netačno

50 Deseto pitanje Zemljišta sa povećanim sadržajem Fe i Al hidratisanih oksida imaju promenljivo naelektrisanje, odnosno mogu da pokažu i AEC i CEC. Tačno Netačno