Sedmo predavanje. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 1

Sedmo predavanje Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 1

CILJEVI PREDAVANJA Nastanak zemljišta. Zemljište kao trofazni sistem. Mehanički sastav zemljišta tekstura zemljišta. Gustina, poroznost, struktura, permeabilnost zemljišta. Sastav zemljišta: mineraloški, organska materija. Profil zemljišta. ISHODI PREDAVANJA 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 Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 2

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 3

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 4

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 Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 5

Zemljišni rastvor Zemljišni vazduh Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 6

drenažna voda Čestica zemlje Higroskopna voda Aerisana zona Vazduh i vodena para u zemljištu Vodeni film Zona kapilarne vode Zasićena kapilarna voda Nivo podzemnih voda Zona podzemnih voda Podzemna voda Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 7

Glina Clay Prašina Silt Pesak Sand Šljunak Gravels sitan grub 2 μm 20 μm 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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 8

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 9

Predstavlja odnos disperznih frakcija izraženih u % u uzorku suvog zemljišta. Određuje se na osnovu trokomponentnog dijagrama. Važno svojstvo jer određuje primenu zemljišta. 10 Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Poroznost Permeabilnost Bubrenje-skupljanje Kapacitet zadržavanja vode Erodabilnost Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 11

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 12

Veličina pora je veća, što dopušta vodi da lako otiče kroz zemljište, van zone korena. Sklona isušivanju. Mala specifična površina čestica redukuje plodnost zemljišta. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 13

Smeša peska, prašine i gline koja je optimalna za agrokulturu. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 14

Primer: 35% gline 30% prašine 35% peska Glinovita ilovača Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 15

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 Snabdevanje nutrijentima Siromašno Srednje visoko Visoko Izluživanje polutanata Izraženo Srednje Nisko Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 16

Smanjenjem veličine čestica, raste specifična površina. Glina ima oko 10 000 puta veću specifičnu površinu od peska. Specifična površina ima veliki uticaj na: kapacitet zadržavanja vode, hemijske reakcije, koheziju zemljišta, sposobnost održavanja mikroorganizama. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 17

ukazuje na sastav zemljišta, tj. na relativan odnos organske materije i minerala. Gustina individualnih čestica - gustina čvrste faze (particle density). Manja od 1 g/cm 3 za OM, veća od 5 g/cm 3 za neke metalne okside ili 7 g/cm 3 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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 18

Površinski sloj zemljišta, sa dovoljnom količinom peska, pokazuje zapreminsku gustinu od 1,2 do 1,8 g/cm 3. Zemljišta sa većim sadržajem humusa, pokazuju manju zapreminsku gustinu, od 1,0 do 1,6 g/cm 3, zbog manje čestične gustine i zbog veće ukupne poroznosti koja nastaje između i unutar strukturnih agregata pod uticajem humusa. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 20

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

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 22

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 cm 3 /h (0,5 cm 3 /h veoma sporo, 15 cm 3 /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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 25

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 26

Organska materija zemljišta Živi organizmi (edafon) Zemljišna organska materija Neizmenjen materijal Transformisani proizvodi (humus) Nehuminske supstance Huminske supstance Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 28

Izraz Organski ostaci Zemljišna biomasa Humus Definicije ZOM i HS Zemljišna organska materija Huminske supstance Nehuminske supstance Humin Huminska kiselina Fulvo kiselina Himatomelanska kiselina Definicija Neraspadnuta biljna i životinjska tkiva i proizvodi njihove delimične dekompozicije. Organska materija u formi živog mikrobialnog tkiva. Sva organska jedinjenja u zemljištu, izuzev neraspadnutih biljnih i životinjskih tkiva, njihovih proizvoda delimične dekompozicije i zemljišne biomase. Isto što i humus. 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. 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. U alkalijama nerastvorna frakcija humusa. Materija mrke boje koja se može ekstrahovati iz zemljišta različitim reagensima i koja je nerastvorna u razblaženim kiselinama. Materija svetle boje koja ostaje u rastvoru nakon udaljavanja huminske kiseline, acidifikacijom. Deo huminske kiseline koji je rastvoran u alkoholu. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 29

Osobine humusa i njegov uticaj na zemljište Osobina Primedba Uticaj na zemljište Boja Zadržavanje vode Veza sa mineralima gline Tipična tamna boja mnogih zemljišta je uzrokovana organskom materijom. Organska materija može da zadrži 20 puta više vode od svoje težine. Dolazi do cementiranja zemljišnih čestica u strukturne jedinice agregate. Helatizacija Formira stabilne komplekse sa Cu 2+, Mn 2+, Zn 2+ i drugim polivalentnim katjonima. Rastvorljivost u vodi Puferski kapacitet Izmena katjona Mineralizacija Vezivanje sa organskim jedinjenjima Nerastvorljivost organske materije prouzrokovana je njenom asocijacijom sa glinom. Takođe, i soli dvo- i trovalentnih katjona sa organskom materijom su nerastvorne. Izolovana organska materija je delimično rastvorna u vodi. Organska materija pokazuje puferske osobine u blago kiselom, neutralnom i alkalnom opsegu. Ukupna kiselost izolovanih frakcija humusa se kreće od 3 do 14 molkg -1. Dekompozicijom organske materije nastaje CO 2, 3 NH 4, NO3, PO 2 4,SO. 4 Može olakšati i ubrzati zagrevanje. Sprečava sušenje i skupljanje zemljišta. Može značajno poboljšati moć zadržavanja vlage peskovitih zemljišta. Omogućava razmenu gasova. Stabilizuje strukturu. Povećava permeabilnost. Može povećati dostupnost mikronutrienata višim biljkama. Malo organske materije se gubi izluživanjem. Omogućava održavanje približno konstantne ph vrednosti zemljišta. Može povećati kapacitet izmene katjona zemljišta. Od 20 do 70% katjonskog kapaciteta mnogih zemljišta potiče od organske materije. Izvor nutritivnih elemenata za rast biljaka. Utiče na bioaktivnost, perzistenciju i biodegradabilnost pesticida i drugih organskih jedi- Modifikuje aplikativnu količinu pesticida. njenja. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 30

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 31

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 32

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 Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 33

Horizont O - gotovo čista, delom raspadnuta, organska materija Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 34

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, H 4 SiO 4 ). -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 CO 2 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 Osnove materiju. hemije životne sredine (T. Anđelković) 35

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 horizontima 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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 36

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 37

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 38

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 39

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. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 40

Razlog razlike u sastavu atmosferskog i zemljišnog vazduha leži u biološkim procesima koji se odvijaju u zemljištu. Tačno Netačno Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 42

Glinovita frakcija zemljišta se sastoji iz minerala gline, organske materije, fino raspoređenih primarnih minerala i hidratisanih oksida Fe i Al. Tačno Netačno Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 43

Zemljišta kod kojih je odnos peska, prašine i gline optimalan za agrokulturu se nazivaju. Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 44

Smanjenjem veličine čestica zemljišta, smanjuje se i specifična površina zemljišta. Tačno Netačno Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 45

Izluživanje polutanata iz zemljišta će biti veće ukoliko je udeo gline u zemljištu veći. Tačno Netačno Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 46

Kapacitet zadržavanja vode u zemljištu će biti veći ukoliko je udeo gline visok. Tačno Netačno Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 47

Pedosfera je bogatija Si, C, N od litosfere, ali je siromašnija Ca, Mg, Na, K od litosfere. Tačno Netačno Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 48