Sedmo predavanje. Hemija životne sredine I (T. Anđelković)

Transcript

1 Sedmo predavanje 1

2 CILJEVI PREDAVANJA ISHODI PREDAVANJA Nastanak zemljišta. Zemljište kao trofazni sistem. Mehanički sastav zemljišta tekstura zemljišta. Gustina, poroznost, struktura, permeabilnost zemljišta. Sastav zemljišta: mineraloški, organska materija. Profil zemljišta. Na kraju predavanja student će biti osposobljen da: objasni i definiše teksturu, sturkturu, poroznost, gustinu i permeabilnost zemljišta definiše kompletan sastav zemljišta objasni horizonte zemljišta 2

3 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. 3

4

5 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 zemljište ukoliko je 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. Izvor: Soil Science Society of America 5

6 Zemljišni rastvor Zemljišni vazduh 6

7 drenažna voda Čestica zemlje Higroskopna voda Aerisana zona Vazduh i vodena para u zemljištu Vodeni film Zasićena kapilarna voda Zona kapilarne vode Nivo podzemnih voda Zona podzemnih voda Podzemna voda 7

8 Glina Prašina Pesak Šljunak Clay Silt Sand Gravels sitan 2 μm 20 μm grub 200 μm 2 mm Pesak: lak, dobra drenaža, lako se aeriše. Najvažnije komponente peska su kvarc i feldspati; relativno su inertni i slab su 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, odnosno, sposobnost zadržavanja nutrijenata je vezana za glinovitu frakciju. 8

9 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. 9

10 Predstavlja odnos disperznih frakcija izraženih u % u uzorku suvog zemljišta. Određuje se na osnovu trokomponentnog dijagrama. Važno svojstvo jer određuje primenu zemljišta. 10

11 Poroznost Permeabilnost Bubrenje-skupljanje Kapacitet zadržavanja vode Erodabilnost 11

12 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. 12

13 Veličina pora je veća, što dopušta vodi da lako otiče kroz zemljište, van zone korena. Sklona isušivanju. Mala specifična površina čestica redukuje plodnost zemljišta. 13

14 Smeša peska, prašine i gline koja je optimalna za agrokulturu. 14

15 Primer: 35% gline 30% prašine 35% peska Glinovita ilovača 15

16 Osobina/Ponašanje 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 16

17 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. 17

18 ukazuje na sastav zemljišta, tj. na relativan odnos organske materije i minerala. Gustina individualnih čestica - gustina čvrste faze (particle density). Manja od 1 g/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. 18

19 19

20 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. 20

21 Kada je poznata gustina čvrste faze i zapreminska gustina, može se izračunati poroznost zemljišta: čestična gustina zapreminska gustina Poroznost zemljišta (vol %) 100 čestična gustina 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. 21

22 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. 22

23

24 24

25 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 je obično 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. 25

26 Reflektuje sastav Zemljine kore: O, Si, Al. U sastav zemljišta ulaze svi poznati elementi (10-15 elemenata najzastupljeniji). Elementarni sastav zavisi od: o vrste zemljišta (različit sastava stena od kojih je zemljište nastalo) o zemljišnog horizonta (starost zemljišta). Pedosfera je bogatija Si, C, O, H, 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. 26

27 27

28 Organska materija zemljišta Zemljišna organska materija Živi organizmi (edafon) Neizmenjen materijal Nehuminske supstance Transformisani proizvodi (humus) Huminske supstance 28

29 Definicije ZOM i HS Izraz Definicija Organski ostaci Neraspadnuta biljna i životinjska tkiva i proizvodi njihove delimične dekompozicije. Zemljišna biomasa Organska materija u formi živog mikrobialnog tkiva. Humus Sva organska jedinjenja u zemljištu, izuzev neraspadnutih biljnih i životinjskih tkiva, njihovih proizvoda delimične dekompozicije i zemljišne biomase. Zemljišna organska materija Isto što i humus. Huminske supstance Grupa visokomolekularnih braon do mrko obojenih supstanci, nastalih tokom sekundarnih reakcija sinteze. Izraz se koristi kao generičko ime da bi se opisao obojeni materijal ili njegove frakcije dobijene na bazi njihove rastvorljivosti. Nehuminske supstance Jedinjenja koja pripadaju poznatim klasama jedinjenja u biohemiji, kao što su aminokiseline, ugljeni hidrati, masti, voskovi, smole i organske kiseline. Humus verovatno sadrži većinu, ako ne i sva, biohemijska jedinjenja koja živi organizam može da sintetiše. Humin U alkalijama nerastvorna frakcija humusa. Huminska kiselina Materija mrke boje koja se može ekstrahovati iz zemljišta različitim reagensima i koja je nerastvorna u razblaženim kiselinama. Fulvo kiselina Materija svetle boje koja ostaje u rastvoru nakon udaljavanja huminske kiseline, acidifikacijom. Himatomelanska kiselina Deo huminske kiseline koji je rastvoran u alkoholu.

30 Osobine humusa i njegov uticaj na zemljište O sobina Prim edba U ticaj na zem ljište B oja Tipična tam na boja mnogih zem ljišta uzrokovana organskom m aterijom. je M ože olakšati i ubrzati zagrevanje. Zadržavanje vode O rganska materija m ože da zadrži 20 puta više vode od svoje težine. Sprečava sušenje i skupljanje zem ljišta. M ože značajno poboljšati moć zadržavanja vlage peskovitih zem ljišta. V eza sa m ineralim a gline D olazi do cem entiranja zem ljišnih čestica u strukturne jedinice agregate. O m ogućava razm enu gasova. Stabilizuje strukturu. Povećava perm eabilnost. H elatizacija Form ira stabilne komplekse sa C u 2+, M n 2+, Zn 2+ i drugim polivalentnim katjonim a. M ože povećati dostupnost mikronutrienata višim biljkam a. R astvorljivost u vodi N erastvorljivost organske m aterije prouzro kovana je njenom asocijacijom sa glinom. Takođe, i soli dvo- i trovalentnih katjona sa organskom m aterijom su nerastvorne. Izolo vana organska materija je delim ično rastvorna u vodi. M alo organske m aterije se gubi izluživanjem. Puferski kapacitet O rganska m aterija pokazuje puferske osobine u blago kiselom, neutralnom i alkalnom opsegu. O m ogućava održavanje približno konstan tne ph vrednosti zem ljišta. Izm ena katjona U kupna kiselost izolovanih frakcija humusa se kreće od 3 do 14 m olkg -1. M ože povećati kapacitet izm ene katjona zem ljišta. O d 20 do 70% katjonskog kapaciteta m nogih zem ljišta potiče od organske m aterije. M ineralizacija D ekompozicijom organske materije nastaje Izvor nutritivnih elem enata za rast biljaka. C O 2, N H 4, N O 3, PO 34, SO 24. V ezivanje sa organskim jedinjenjima U tiče na bioaktivnost, perzistenciju i b iodegradabilnost pesticida i drugih organ skih jedinjenja. M odifikuje aplikativnu količinu pesticida.

31 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.

32 Fizičke i hemijske osobine zemljišta nisu jedinstvene za zemljište, zemljište ne predstavlja monolitnu masu nepromenjenog sastava. Sastav zemljišta jako varira kako u horizontalnom tako i u vertikalnom pravcu. Ako se posmatra zemljište u svom horizontalnom pravcu (neki predeo) očigledne su razlike u reljefu, boji zemljišta, strukturi. Tada govorimo o spoljašnjoj morfologiji zemljišta. Mada manje vidiljive, značajne su i razlike u fizičkim i hemijskim osobinama zemljišta u vertikalnom pravcu. Tada govorimo o unutrašnjoj morfologiji zemljišta koja podrazumeva izgled vertikalnog preseka ili profila zemljišta. Na tom vertikalnom preseku zemljišta mogu se uočiti serija horizontalnih slojeva koji se razlikuju po boji i/ili teksturi. Takvi slojevi se zovu horizonti, a skup zemljišnih horizonata čini zemljišni profil.

33 Horizonti u tlu - svi horizonti ne moraju biti razvijeni - nezrela tla nemaju horizont B - erozija može ukloniti horizont O, A, itd. - detaljnim proučavanjem horizonti se mogu podeliti na podhorizonte (A1, A2, A3, ) - prema nekim podelama O = A0, A = A1 i E = A2 - R=matični supstrat R

34 Horizont O - gotovo čista, delom raspadnuta, organska materija

35 Horizont A -tamno obojeni horizont, sastoji se od humusa i mineralnih zrna -horizont karakterističan po delomičnom izluživanju/ispiranju. -Ispiranje je praćeno proceđivanjem vode s površine u dublje slojeve. Neke vrste se ispiru u jonskom obliku u rastvoru (Ca, Na, K, Mg, ), a neke se transportuju u vidu koloida (Fe,Al-hidroksidi, H4SiO4). -glavni katalizator izluživanja je humus (kompleksna i vrlo otporna smesa smeđih do tamnosmeđih amorfnih i koloidnih supstanci nastalih uglavnom raspadom biljaka. Neke sastojke humusa mogu sintetisati i organizmi koji žive u tlu). -organske kiseline i organski kompleksi koji nastaju u humusu bakterijskom aktivnošću te CO2 nastao raspadom humusa takođe doprinose izluživanju u horizontu A. -sniženi ph doprinosi raspadu minerala te mobilizaciji metala adsorbovanih na mineralima glina, Fe i Alokside/hidrokside te organsku materiju.

36 Horizonti nastaju kao rezultat kompleksnih interakcija koji se odvijaju tokom alteracije, tj. površinskog raspadanja. Kišnica koja perkolira kroz zemljište nosi sa sobom rastvorene i koloidne čvrste čestice ka nižim horizon tima u kojima se oni talože. Biološki procesi (kao što je bakterijsko razlaganje ostataka biljaka), dovode do stvaranja slabo kiselog CO2, organskih kiselina, i kompleksinh jedinjenja koji se takođe prenose kišnicom ka nižim horizontima gde interaguju sa glinama i drugim mineralima, pri čemu dovode do njihovog preobražaja, tj. alteracije. Površinski sloj zemljišta, nekoliko desetina santimetara debljine, je poznat kao A horizont - površinski sloj. Ovaj sloj je sloj maksimalne biološke aktivnosti u zemljištu i sadrži najviše ZOM. Metalni joni i čestice gline u ovom A horizontu podležu značajnom izluživanju.

37 Horizont E -svjetlo obojeni horizont s malo organske materije -horizont karakterističan po intezivnom izluživanju/ispiranju. -ovaj horizont može nedostajati u suvim klimama ili mladim zemljištima.

38 Horizont B -smeđe do narančasto obojen horizont. -rastvorene i koloidne vrste (gline, hidroksidi, silicijumova kiselina) mogu biti odložene u ovom horizontu. -crvena boja ukazuje na prisustvo Fe-oksida -moguće su i manje količine organske materije.

39 Horizont C -svjetliji od horizonta B -malo ili potpuno bez org. materije. -rastresiti deo matiĉnog supstrata bez znakova pedogenetskih procesa karakterističnih za ostale horizonte -može predstavljati trošeni stenski materijal in situ ili materijal transportovan vodenim tokovima, vetrom, gravitacijom, - neorganski procesi trošenja stena uvek su izraženi na većim dubinama od dubina formiranja tla. Važnost razlikovanja horizonata prilikom uzorkovanja: -ukoliko radimo prospekciju metala koji su sadržani u rezidualnim mineralima (Ti, Cr, Zr, ) tada ćemo uzorkovati horizont A. -ukoliko radimo prospekciju mobilnih metala tada ćemo uzorkovati horizont B u kojem su se ti metali nataložili.

40 Sledeći sloj je B horizont ili iluvijalni horizont. Ovaj horizont prima sve materije koje su isprane (izlužene) iz A horizonta, i to OM, soli i čestice gline. U procesu zagađivanja zemljišta drugi horizont je posebno važan, zbog povišenog sadržaja glina koje jonoizmenjivački vezuju mnoge materije. U njemu se najviše koncentruju štetni metali kao što su Pb, Cd, Hg, Co, Ni, radioaktivni Cs i dr. Znači, oni se vezuju za gline, tj. fiksiraju se glinama. C horizont predstavlja rastresiti deo matične stene, a R je čvrsta stena. C i R sloj ne pripadaju zemljištu.

41 41

42 Razlog razlike u sastavu atmosferskog i zemljišnog vazduha leži u biološkim procesima koji se odvijaju u zemljištu. Tačno Netačno 42

43 Glinovita frakcija zemljišta se sastoji iz minerala gline, organske materije, fino raspoređenih primarnih minerala i hidratisanih oksida Fe i Al. Tačno Netačno 43

44 Zemljišta kod kojih je odnos peska, prašine i gline optimalan za agrokulturu se nazivaju. 44

45 Smanjenjem veličine čestica zemljišta, smanjuje se i specifična površina zemljišta. Tačno Netačno 45

46 Izluživanje polutanata iz zemljišta će biti veće ukoliko je udeo gline u zemljištu veći. Tačno Netačno 46

47 Kapacitet zadržavanja vode u zemljištu će biti veći ukoliko je udeo gline visok. Tačno Netačno 47

48 Pedosfera je bogatija Si, C, N od litosfere, ali je siromašnija Ca, Mg, Na, K od litosfere. Tačno Netačno 48