MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta
Vybrané metody pro stanovení fyzikálních vlastností půd a jejich použití pro hodnocení kvality substrátů
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2012
ZUZANA ŠEPTUNOVÁ
MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav tvorby a ochrany krajiny
Vybrané metody pro stanovení fyzikálních vlastností půd a jejich použití pro hodnocení kvality substrátů
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2012
ZUZANA ŠEPTUNOVÁ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma: Posouzení metod pro stanovení některých základních fyzikálních vlastností půd a zemin z hlediska jejich potenciálního použití pro hodnocení kvality pěstebních a melioračních substrátů zpracovala sama a uvedla jsem všechny použité prameny. Souhlasím, aby moje diplomová práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uložena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, že před sepsáním licenční smlouvy o využití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyžádá písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace. V Brně, dne: 1.5.2012
podpis studenta:
Srdečně děkuji vedoucímu bakalářské práce Dr. Ing. et Ing. Miroslavu Kravkovi, za jeho odborné vedení poskytování cenných rad a podkladů při vypracování bakalářské práce, rovněž tak za připomínky a pomoc při zpracování řešené problematiky, které přispěli k úplnosti této bakalářské práce.
ABSTRAKT Vypracovala: Zuzana Šeptunová Název práce: Vybrané metody pro stanovení fyzikálních vlastností půd a jejich použití pro hodnocení kvality substrátů. Bakalářská práce popisuje a posuzuje metodiky pro stanovení stability půdních agregátů a metodiky pro stanovení základních fyzikálních charakteristik (zrnitost, specifická hmotnost, pórovitost apod.), které byly vytvořeny ve Výzkumném ústavu meliorací a ochrany půdy. Ve 3. Kapitole je popsán postup provádění těchto metodik, přesně tak, jak byl vytvořen na VÚMOP a k němu je připojena aplikace, kde popisuji postup, jak jsem metodiku prováděla já, v podmínkách laboratoře Ústavu tvorby a ochrany krajiny. Je připojen i komentář, kde jsou navrženy změny v postupu nebo použití pomůcek dané metodiky. Ve výsledcích jsou vypsány hodnoty získané praktickým vyzkoušením metodik v laboratoři. Na začátku této práce zmiňuji přehled literatury, ve které se autoři zabývají tématy, která využívají informace získané použitím metod pro stanovení fyzikálních vlastnosti půd. Posuzovaní metodik pro stanovení fyzikálních vlastností půd, je obsáhlé téma. Na světě je popsáno mnoho postupů pro jejich stanovení. Já se zaměřila především na ty, které lze provádět v laboratorních podmínkách Ústavu tvorby a ochrany krajiny. Na konci práce jsem pak metodiky porovnala s metodikami používaných v zahraničí, a to především v USA. Zjistila jsem, že tyto metodiky jsou velmi podobné. Využití metodik vytvořených na VÚMOP je vhodné, protože byly úspěšně testovány v laboratorních podmínkách ÚTOK, z důvodu potřebnosti využití technického vybavení u většiny metod, není možné jejich využití v terénu. Klíčová slova: půda, stabilita půdních agregátů, fyzikální vlastnosti půd.
ABSTRACT Preparated by: Zuzana Šeptunová Title of thesis: Selected methods for determining physical properties of soils and their application for assessing the quality of substrátům. The work describes and evaluates methodologies for determining the stability of soil aggregates and methodologies for determining basic physic characteristics (texture ,specific weight, porosity, etc.) which were created in the Research Institute of Soil and Water Conservation (RISWC). In Chapter 3, the technique of performing these methodologies is described exactly in the way it was created in RISWC and an application is attached, where I decribe how I carried out this methodology myself in the conditions of a laboratory at Department of Landscape Formation and Protection (DLFP). There is also a commentary attached with suggestions of alterations in the procedure or application of tools in a given methodology. In results, figures obtained by testing practical methodologies in the laboratory are provided. At the begining of this work, I will mention an overview of the literature in which authors engage in topics that make use of information obtained by applying methodologies for determining the physical properties of soil. Assessing methodologies for determining the physical properties of soil is an extensive topic. There is a considerable number of methodologies used elsewhere in the world, however, I focused mainly on those which I was able to perform in laboratory conditions of Department of Landscape Formation and Protection. In the final section of this work, I have compared these methodologies with methodologies used abroad, primarily in the USA. I found out that these methodologies are very similar. The application of methodologies created at RISWC is suitable since they have been successfully tested in laboratory conditions of DLFP, nevertheless, due to the need to employ technical equipment in the majority of the methodologies, it is not possible to apply them in terrain. Key words: the stability of soil aggregates, physical properties of soil, soil.
1.
ÚVOD A CÍL PRÁCE ....................................................................................... 8
2.
LITERÁRNÍ PŘEHLED .................................................................................... 9
3.
METODIKA .................................................................................................... 12 3.1.
Popis použitých metod a materiál ............................................................. 12
3.1.1.
Vybrané metodiky ............................................................................. 12
3.1.2.
Půdní materiál .................................................................................... 12
3.1.3.
Popis postupu..................................................................................... 12
3.1.4.
Popis hodnotících kritérií a jejich hodnocení .................................... 12
3.2.
Postupy použité při srovnávání metodik ................................................... 15
3.2.1. 4.
Pro jednotlivé hodnocené metodiky .................................................. 15
VÝSLEDKY .................................................................................................... 25 4.1.
Výsledky základních fyzikálních rozborů (Součková, 1965) ................... 25
4.2.
Výsledky mikroagregátového rozboru pipetováním................................. 27
4.3.
Výsledky agregátového a zrnitostního rozboru na sítech ......................... 30
4.3.1.
Výsledky agregátové analýzy na sítech ............................................. 30
4.3.2.
Výsledky zrnitostního rozboru na sítech proplavováním pod vodou 31
4.3.3.
Výsledky agregátového rozboru na sítech proplavováním pod vodou
při rychlém nasycení vzorku vodou ........................................................................ 32 4.3.4.
Výsledky agregátového rozboru na sítech proplavováním pod vodou
při kapilárním nasycení vzorku vodou .................................................................... 32 4.4.
Výsledky stability makroagregátů podle Sekery ...................................... 34
4.5.
Výsledky stability makroagregátů podle Zajdelmana .............................. 35
5.
DISKUSE ......................................................................................................... 37
6.
ZÁVĚR ............................................................................................................ 39
7.
SUMMARY ..................................................................................................... 40
8.
CITOVANÁ LITERATURA ........................................................................... 41
1. ÚVOD A CÍL PRÁCE Fyzikální vlastnosti půdy jsou důležité vlastnosti, které ovlivňují stav a funkčnost půdy, zvláště vodní, vzdušný a tepelný režim, jsou to především zrnitost, struktura, měrná a objemová hmotnost a pórovitost. Účelem průzkumu půd je poznání jejich vlastností a produkční schopnosti, toto poznání umožňuje správné a účelné hospodaření s půdou lesnickou, zemědělskou i vodou v krajině. Půdní fyzika se v podstatě zabývá studiem stavu jednotlivých částí půdního celku. Popisuje rozložení a zastoupení pevných částic, vody a vzduchu v prostoru půdního profilu. (Kroulík, Přídal, 2001) Vzdušný a vodní režim půd je velmi důležitý, objem vody zadržovaný a protékající půdou má dominantní postavení v hydrologickém cyklu, půdou protéká téměř všechna voda, která ve formě srážek spadne na zemský povrch je proto nutné při jakékoliv obměně vegetačního krytu na větší ploše zabývat se vlivem této změny na vodní režim. (Kutílek, M., 1978) Cílem této práce je vyjít z metodik pro stanovení stability půdních agregátů a metodik pro stanovení základních fyzikálních charakteristik (zrnitost, specifická hmotnost, pórovitost apod.), které byly v historii vytvořeny na VÚMOP a posoudit jejich použitelnost v dnešních podmínkách, srovnání s aktuálně používanými metodikami v zahraničí, zejména v USA.
8
2. LITERÁRNÍ PŘEHLED Autoři Piccolo a Mbagwu (1999) popisují účinky jednotlivých komponentů organických částí na stabilitu agregátů. V článku se zmiňují o měření stability agregátů a zmiňují zde podobnou metodu, kterou jsem analyzovala ve 3. kapitole, v této metodě se stanovuje množství vodostálých agregátů > 0,5 mm, protože jak píše Watts (1996), právě tato velikost agregátů je v zemědělství nejdůležitější. Rozdíl v provádění metody, jak popsali na VÚMOP a v tomto článku je v době nasávání vzorku vodou a ve způsobu prosévání přes síta, autoři popisují prosívání pomocí zařízení podobnému tomu, který popsali Kemper a Rosenau (1986) po dobu 20 s a na VÚMOP, doporučují ručně se síty vertikálně pohybovat po dobu 2 minut. Výsledky, kde jsou vyšší výsledné hodnoty vodostálých agregátů > 0,5 mm, ukazují lepší stabilitu zeminy. Vogeler (2008) posuzoval dlouhodobé zkoumání vlivu odpadních vod na fyzikální vlastnosti půdy. Pokusy byly prováděny na dvou lokalitách, které byly zavlažovány odpadní vodou, a ty byly porovnány s územím, na které se odpadní voda neaplikovala. První je území s bahnitou, jílovitou půdou, na které byla odpadní voda aplikována 12 let, půda na druhé lokalitě je písčitá a odpadní voda zde byla aplikována po dobu 22 let. Výsledky ukázaly, že území s aplikovanou odpadní vodou měly vyšší pH, vyšší obsah organické hmoty, nižší objemovou hmotnost, ale nižší makroporozitu než stanoviště bez aplikované odpadní vody. Dlouhodobé zavlažování odpadní vodou vedlo k vyšší stabilitě agregátů a změny v celkové pórovitosti před stresem z následující aplikace byly nižší, což naznačuje vyšší vnitřní síly půdy. Pro hodnocení stability agregátů byla použita Elliotova (1986) metoda, kde mokrá zemina byla přesáta přes sadu 8 sít, výsledné frakce byly podle Oadese a Waterse (1991) seskupeny mezi makroagegáty (> 250 μm) a mikroagregáty (20 až 250 μm). Podobná metoda pro stanovení stability makroagregátů, jako byla použita pro tyto pokusy, je popsaná v metodice ve 3 kapitole. Galán (2008) se zabýval zkoumáním vlivu přechodu z konvenčního k ekologickému zemědělství na fyzikální vlastnosti půd a chemických procesů. A to především z důvodu zvýšeného zájmu o ekologické zemědělství, které je těmito změnami půdy doprovázeno. Ekologický systém je velmi složitý a doposud se mu věnovalo málo studií. Při posuzování objemové hmotnosti a obsahu dostupné vody v půdě, bylo porovnáno použití hnoje, organického substrátu a konvenční úpravy. Z výsledků pokusu
9
je patrné, že objemová hmotnost u organicky hnojené zeminy je nižší, než u zeminy, kde byly minerály dodávány hnojem, zato dostupnost vody byla nejvyšší u zeminy s organickým substrátem. Tato studie prokázala, že používání organického substrátu, má za následek zvýšení půdní organické hmoty, skladování živin a pozitivně ovlivňuje fyzikální vlastnosti půd na rozdíl od konvenčního zemědělství. Stejnou problematiku, jakou se zabýval Galán, popisují autoři Khaleel, Reddy a Overcash, (1981). Hodnotí pokusy několika autorů, prováděné na pozemcích, na které byly aplikovány různé druhy hnojiv, jako například organický substrát, hnůj atd., autoři těchto pokusů zkoumali vliv těchto látek na různé fyzikální vlastnosti půdy jako je hydraulická vodivost, objemová hmotnost nebo vodní retenční kapacita nebo erozi. V závěrečném zhodnocení se zmiňují, že výsledné údaje jsou stále omezené a tato problematika by měla být dále zkoumána. Weiler (2005) se zabývá pokusy prozkoumávající infiltrací proudů do půdy obsahující makropóry. Protože existující modely simulace infiltrace v půdách obsahující makropóry, nedosahují výsledků shodujících se s procesy v přírodě, rozhodl se autor vyvinout, stanovit a otestovat model, který kombinuje variabilitu v proudění v makropórech se zavedenými přístupy k vytvoření duální propustnost půdy. Použitím modelu infiltrace – započatí – interakce (INfiltration–INitiation–INteraction Model) zjistil, že vliv variability průtoků do makropórů na hydrologické reakci půdy byl značný a hlavně výraznější u půd, kde zahájení dochází na povrchu půdy. Aplikace modelu prokazuje přiměřenou shodu mezi simulovaným modelem a teréními daty. Ruan a Illangasekare (1998) se také zabývali prouděním a infiltrací vody do makropórů, konkrétně infiltrací do makropórů ve vadózní zóně. Na rozdíl od mnohých studií, které se zabývají průtokem do makropórů, v makroporézních půdách. V této analýze byla aktivace makropórů zjednodušena. Předpokládali, že makropóry jsou v této oblasti aktivovány jednotně a že všechna přebytečná dešťová voda odtéká do makropórů rovnoměrně. Sestavili numerický model propojující povrchové proudění a infiltraci do vrstev makroporézní vadózní zóny. Analýzou interakce hypotetického povodí bylo zjištěno, že proudění v makropórech a povrchové proudění se může vzájemně významně ovlivňovat. Vzhledem k tomu, že makropŕy přenášejí vodu větší rychlostí než primární živná půda, výšší makroporérní činnost v zavodněných oblastech produkuje větší efektivní infiltrační rychlost do půdy. Proto povrchové proudění a 10
infiltrace do makroporézní vadózní zóny jsou vzájemně propojeny. V testovaných podmínkách bylo shledáno, že na intenzitu proudění vody do makropórů a na povrchové proudění má větší vliv makroporozita než mikrotopografický tvar. Zhuang (2008) napsal studii zkoumající vliv organických látek, obsažených v půdních mikroagregátech na hysterezní charakteristiky vodní retence pomocí půdních mikroagregátů s ohledem na použití různých druhů půdy a jejího zpracování. Kde pro měření vodostálých mikroagregátů (53 – 250 μm) byl použit měřič vodní aktivity. Tato studie poskytuje důležité nahlédnutí do potenciálu optimalizovaných řízených postupů pro synergické zlepšení zadržování vody organické hmoty v půdě.
11
3. METODIKA 3.1. Popis použitých metod a materiál 3.1.1.
Vybrané metodiky
V souladu se zadáním práce byly posuzovány tyto metodiky: mikroagregátový rozbor pipetováním, agregátový a zrnitostní rozbor na sítech, stabilita makroagregátů podle Sekery a Zajdelmana a základní fyzikální rozbory Detailní popis metodik, tak jak byl převzat z VÚMOP je uveden v kapitole 3.2.2 ve formě srovnávacích tabulek 3.1.2.
Půdní materiál
Pro tyto metody jsem použila vzorek půdy odebrané v blízkosti Brna v obci Moravské Knínice, byl to vzorek černozemě s malým obsahem humusu, odebraný z hloubky 10 – 15 cm na zemědělsky obhospodařované půdě. 3.1.3.
Popis postupu
Metodiky vytvořené na VÚMOP, jejichž laboratorní postupy jsou blíže popsané v této kapitole, jsem, pro lepší posouzení jejich praktického využití, přesně podle jejich popsaného postupu vyzkoušela v laboratoři Ústavu tvorby a ochrany krajiny. Z důvodu nedostatečného nebo neúplného vybavení laboratoře jsem metody přizpůsobila místním laboratorním podmínkám, z tohoto důvodu bylo nezbytné některé části postupu změnit nebo upravit, aby tyto metody bylo možné realizovat. 3.1.4.
Popis hodnotících kritérií a jejich hodnocení
Každá metoda byla podrobena hodnocení podle těchto kritérií: Náročnost na technické vybavení. Kritérium zohledňuje požadované stávající vybavení laboratoře přístroji, toto hledisko je také o nasazení příslušné metody v terénu.
12
Časová náročnost se zohledněním doby samotného provádění metody a času kdy vzorek není dokončen, ale nepotřebuje naši pozornost (sušení, nasávání, atd.). Interpretace výsledků hodnotí, zda je k metodě vyhodnocovací tabulka, zda je přehledná a jak je náročná interpretace výsledků. Náročnost na zaškolení personálu – je třeba zaškolení nebo stačí manuál, náročnost zpracování dat Každé kritérium bylo hodnoceno pětibodovou stupnicí v rozmezí 1 – 5, a to tak, že čím nižší hodnoty, tím příznivější hodnocení. Pro jednotlivá kritéria takto: Náročnost na technické vybavení Metoda vůbec nevyžaduje technické vybavení, lze ji aplikovat bez použití el. energie a v terénu. Metoda počítá se základním technickým vybavením, jako je například váha, lze aplikovat v terénu. Metoda počítá s použitím technického vybavení, je možné jej nahradit či zjednodušit, není ji však možné provádět v terénu. Metoda je z velké části závislá na technickém vybavení, nelze jej nahradit či zjednodušit, lze provádět pouze v laboratoři. Metoda je zcela závislá na speciálním technickém vybavení, lze provádět pouze v laboratoři.
Časová náročnost Metoda je časově nenáročná je možné ji celou provést a získat požadované výsledky v časovém rozpětí 2 h Čas požadovaný na přípravu a pozdější zpracování vzorku je 2 h, doba mezi přípravou a zpracováním je však 24 h, potřebujeme tedy 2 dny na získání výsledků, časová náročnost samotné aplikace metody však není více jak 2 hodiny nebo metodu lze připravit a zpracovat během 1 h výsledky jsou známi (například z důvodu sušení) během jedné 8 hodinové směny Metodu lze provést a získat požadované výsledky za pracovní směnu 8 h, příprava a práce se vzorkem nám však zabere více jak 2 hodiny Metodu lze provést za 2 dny během dvou 8 hodinových pracovních směn Metoda je časově náročná, doba přípravy, provádění a získání výsledků přesahuje 48 h
body 1 2 3 4 5
body 1
2
3 4 5
13
Interpretace výsledků Výsledky metody se zapíší do výsledné tabulky, není nutné další propočítávání, hodnocení je přehledné a jasné Výsledky metody se zapíší do tabulky a jednoduše se propočítají, čímž získáme požadované výsledné hodnocení Pro metodu není sestavena tabulka, výsledky se jednoduše interpretují slovně Výsledky metody se zapíší do tabulky, kde podle zadaných vzorců získáme požadované výsledky Pro metodu není sestavena tabulka, výsledky se propočítají a interpretují slovně
body
Náročnost na zaškolení personálu Provádění metody je velmi jednoduché, manuál stačí použít běhen provádění metody Pro metodu je nutné předem nastudovat manuál Pro metodu je nutné velmi dobře nastudovat manuál a používat jej během provádění metody Metodu lze provádět až po zaškolení zkušeným personálem Metodu může provádět pouze zaškolený personál
body
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
V souladu s cíli práce jsou preferovány metody, které je možné použít bez větších investic a dají se použít i v terénu. Z toho vyplývá, že jednotlivým kritériím byly přiděleny tyto váhy takto: Kritérium Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu celkem
váha 40% 15% 25% 20% 100%
14
3.2. Postupy použité při srovnávání metodik 3.2.1. 3.2.1.1.
Pro jednotlivé hodnocené metodiky Základní fyzikální rozbory (Součková, 1966)
Podle jednoduchého postupu, popsaného v první kapitole, jsem provedla rozbory, z výsledků těchto rozborů jsem dopočítala do tabulky výsledné hodnoty. Tabulka
Potřeby
Původní metodika Velké fotomysky (50 * 60 cm), Petriho misky (jako podložky při nasávání), filtrační papír, sada pyknometrů (20 ks), třecí miska, tlouček, hluboké porcelánové misky o průměru 8 cm, plynový kahan nebo elektrický vařič, nálevka, drátek, laboratorní stojan, střička, exsikátor (velký). Aplikace Pro jeden vzorek je potřeba Kopeckého váleček se spodním a horním víčkem, Petriho miska o průměru 5 a 8 cm, 5 ks filtračního papíru, třecí miska, tlouček, pyknometr, nálevka, drátek, střička, exsikátor, elektrický vařič, váha, sušárna. Komentář Při větším počtu vzorku je vhodnější použít namísto petriho misky o průměru 8 cm fotomisku, do které je možné poskládat více vzorků naráz. U rašelinných půd není nutné použít elektrický vařič, ale vzorek zalijeme destilovanou vodou a mícháme, dokud ze vzorku neodstraníme veškerý vzduch.
Vážení neporušeného vzorku
s výslednými hodnotami:
Původní metodika Kopeckého odběrné válečky s odebranými neporušenými vzorky půdy zvážíme. Z válečků se potom vloží na podložku obalenou dvojitým filtračním papírem. Obalená podložka se postaví do fotomisky naplněné vodou tak, aby voda nezalévala filtrační papír svrchu. Válečky se nechávají na papíru nasávat do té doby, než se na povrchu vytvoří lesklá vodní blanka (zrcátko) nebo u těžkých půd po dobu 24h. Po skončení nasávání se připraví čtyřikrát přeložený filtrační papír a válečky se na něj opět síťkami položí k odsávání. Po jedné hodině se filtrační papír vymění za nový a stejným způsobem se odsává ještě po dobu jedné hodiny. Celková doba odsávání je tedy 2 hodiny. Válečky se postaví do sušárny a vysuší se do konstantní váhy při 105°C. Válečky se po zvážení vloží zpět do exikátoru, kde se uchovávají až do stanovení specifické váhy půdy. Aplikace Metodu jsem provedla přesně podle popsaného postupu. Komentář V popsané metodě jsem nepřišla na jiný způsob provádění této metody, postup se nedá nahradit ani zjednodušit.
15
Stanovení specifické hmotnosti Potřeby
3.2.1.2.
Původní metodika Pyknometry před použitím očíslujeme, a to shodně baňku a zátku. Pyknometry naplníme destilovanou vodou až po okraj hrdla. Otevřené je temperujeme až na teplotu 18°C. To znamená, že je postavíme bez zátek do fotomisky s vodou teplou 20°C. Potom se pyknometry vyjmou a zazátkují. Ihned po zazátkování se pyknometry otřou a zváží, čímž se získá váha pyknometru s vodou Vysušené válečky zatím uložené v exikátoru se postupně vyjímají k rozboru. Část vysušeného vzorku se z nich vytlačí do třecí misky a tloučkem se rozmělní. Je třeba rozbít i kaménky, které jsou větší než průměr hrdla použité nálevky a které, nejsou-li rozmělněny, velmi zdržují práci. Z třecí misky se odváží 10 g rozmělněné zeminy, vloží se do varné misky předem označené číslem pyknometru a zalije se destilovanou vodou tak, aby nedošlo k rozprášení zeminy a aby byl vodou zakryt cely vzorek. Vzorky se potom vaří po dobu 2 – 3 minut, aby se vypudil veškerý vzduch ve vzorku. Po povaření se vzorky beze zbytku sestříknou destilovanou vodou do pyknometrů. V nálevce je vložen drátek, který zabraňuje ucpání stopky nálevky. Neuzavřené pyknometry se temperují stejným způsobem jako pyknometry naplněné vodou a také se stejným způsobem zátkují. U rašelinových půd není možno použít tento postup určování specifické váhy, ale je nutná následující příprava vzorku: ze vzorku o přirozené vlhkosti (neupravovaného) se odváží určité množství, které se kvantitativně hněte v menší porcelánové misce s destilovanou vodou tak dlouho až je vypuzen všechen vzduch. Současně v jiném podílu původního vzorku se stanoví sušina při 105°C. Potom se obsah misky sleje přes širokohrdlou nálevku do pyknometru a stanoví se specifická váha. Výpočet je podobný jako u minerálních zemin. Aplikace Metodu jsem provedla přesně podle popsaného postupu. Komentář Metoda vyhovovala laboratorním podmínkám, postup je nutné přesně dodržet a nedá se nahradit či zjednodušit.
Mikroagregátový rozbor pipetováním (Karbusický, 1966) Původní metodika Pipetovací přístroj, sedimentační válce, stopky, vysoušečky, analytické váhy. Aplikace Pro jeden vzorek je potřeba: sada sít 2; 0,05; 0,1 mm, disperzní činidlo, varná deska, 6 kádinek, sedimentační válec, pipetovací přístroj, stopky, analytické váhy. Komentář Tuto metodu jsem prováděla v laboratoři Ústavu geologie a pedologie, protože na v laboratoři na Ústavu tvorby a ochrany krajiny není pipetovací přístroj. V sadě sít jsem použila navíc síta o velikosti ok 0,05 a 2 mm, pro urychlení metody jsem pro lepší rozmělnění zeminy, před pipetováním, použila disperzní činidlo a vzorek s ním zahřívala na varné desce.
16
Příprava vzorku
Původní metodika Z porušeného na vzduchu vyschlého vzorku uděláme jemnozem. Ekvivalentní navážku zeminy na vzduchu vyschlé odpovídající 10 nebo 20 g zeminy vysušené při 105°C vsypeme přímo do sedimentačního válce, pomalu pipetou přidáváme vodu, až se celý vzorek nasytí a necháme ho asi 10 minut stát. Potom válce doplníme destilovanou vodou na 1 litr, vzorek rozmícháme a necháme stát 24 hodin. Před pipetováním vzorek ve válci třepeme ručně 1 minutu a pipetujeme ve stanoveném čase. Další postup je stejný jako při zrnitostním rozboru. Aplikace 20 g zeminy vysušené a přesáté přes síto o velikosti ok 2 mm jsem zalila disperzním činidlem a 20 minut jsem jej nechala zahřívat na varné desce při teplotě 250 °C, potom jsem zeminu nalila do sedimentačního válce a zalila destilovanou vodou až po stanovenou rysku a 1,5 minuty jsem jej promíchávala. Komentář Díky použití disperzního činidla a varné desky, jsou agregáty rychleji rozrušeny a nemusíme tedy vzorek nechat stát 24 hodin, časová náročnost se tím velmi zkrátí.
Stanovení pipetovacích časů pro mikroagregátovou analýzu
Původní metodika Pipetou odebíráme vzorek určitého objemu ze suspenze známé konzistence z hloubky, která odpovídá sedimentační dráze žádané agregátové frakce za stanovenou dobu. Z daných hodnot vypočteme pipetovací čas: g… zrychlení tíže zemské (cm/s2) h… je hloubka ponoření pipety do suspenze (cm) D… průměr padající částice (cm) t… je pipetovací čas (s) d… hustota dispersní fáze - zeminné částice (g/cm3) do.. hustota dispersního prostředí – voda (g/cm3) Mikroagregátová analýza pipetováním se od zrnitostního rozboru pipetováním liší pouze jinou přípravou vzorku a úpravou pipetovacích časů. Na nomogramu pro stanovení pipetovacích časů pro zrnitostní rozbor pipetovaním si najdeme časy, které odpovídají příslušnému vzorku pro zrnitostní rozbor. Tento čas vynásobíme koeficientem 1,3 a tím obdržíme časy pro mikroagregátovou analýzu pipetováním. Aplikace Časy, které jsem použila pro pipetování: Po 1 minutě a 41 sekundách od zamíchání vzorku v sedimentačním válci jsem ve výšce 25 cm odebrala pipetovacím přístrojem částice o velikosti 0,05 mm. Po 17 minutách od zamíchání vzorku jsem odebrala ve výšce 10 cm částice 0,01 mm. Po 2 hodinách a 48 minutách od zamíchání vzorku jsem ve výšce 4 cm odebrala částice o velikosti 0,002 mm. Sedimentační válec, který jsem pro tuto metodu použila, měl již naznačeny hloubky, ve kterých jsem později odebírala pipetovacím přístrojem zeminu. Komentář Pipetovací časy jsem použila již zjištěné pro daný typ zeminy z metody využívané laboratoří ÚP.
17
Výpočet zastoupení mikroagregátových frakcí
Původní metodika Výpočet zastoupení mikroagregátových frakcí je zcela shodný s výpočtem, který se provádí pro zrnitostní rozbory pipetováním s tím rozdílem, že se neuskutečňuje oprava na ztráty při preparaci vzorku. Zbylá suspenze v sedimentačním válci po pipetování neopatrně vlije na síto o velikosti ok 0,1 mm, pod malý m proudem vody se opatrně promývá tak dlouho, až vytéká čirá voda. Neroztírá se vzhledem k tomu, že jde o určení agregátů větších než 0,1mm. Potom se zbytek na sítě sestříkne do vysoušečky a suší se běžným způsobem. Aplikace Zbylou zeminu jsem sestříkla na síta o velikosti ok 0,05 a 0,1 mm, částice zachycené na těchto sítech jsem sestříkla do kádinky. Všech 5 odebraných vzorků jsem nechala vysušit na varné ploše a poté zvážila a vypočítala zastoupení jednotlivých frakcí. Komentář Pro přesné zjištění zastoupení frakcí jsem zbylou zeminu v sedimentačním válci sestříkla navíc i na síto o velikosti 0,05 mm, zjistila jsem tak velikost částic 0,05 – 1 mm.
Agregátový a zrnitostní rozbor na sítech (Bartoň, 1965)
3.2.1.3.
Potřeby
3.2.1.3.1.
Agregátová analýza na sítech
Původní metodika Váhy s přesností vážení 0,01 g, sada sít o velikosti ok 10 mm, 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,1 mm, Petriho misky o průměru 10 cm, vysoušečky, sušárna. Aplikace Velikost ok v sadě sít jsem požila podle možností laboratoře a to 8 mm, 4 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm a 0,1 mm, dále jsem použila Petrihi misky, váhu, vysoušecky a sušárnu Komentář U velikosti ok v sadě sít je důležité množství sít, a aby se jejich velikost pohybovala okolo velikosti popsané v metodice, ale není nutné přesné dodržení velikostí ok.
18
ostup rozboru
Původní metodika Na vzduchu vyschlý vzorek prosejeme sítem o velikosti ok 10 mm. Je třeba připravit asi 0,5 kg vzorku. Z prosetého vzorku se stanoví ekvivalentní navážka k 150 g absolutně suché zeminy. Vysypeme navážený vzorek na horní síto srovnané sady sít. Sadu sít předem srovnáme podle velikosti ok tak, že nahoře je hrubší a dole nejjemnější síto. Sadu uzavřeme víkem se dnem sady sít tak, aby při několika minutách prosévání nedošlo k rozprášení vzorku. Po skončení prosévání sejmeme síto o velikosti ok 5 mm a překlopíme na čistý papír, při čemž musíme agregátovou frakci, která na něm zůstala, beze zbytku vpravit na papír. Frakci potom zvážíme a frakci rozdělíme vážením na 3 díly a vsypeme do tří Petriho misek o průměru 10 cm. Tyto tři Petriho misky máme označeny stejně – číslem vzorku, nejlépe na víku misky. Překlopené síto o velikosti ok 5 mm odložíme stranou. Vezmeme další síto o velikosti ok 2 mm a postupujeme stejně. Nyní však třetiny frakce vsypeme nejprve do vík označených Petriho misek, čímž je umožněna kontrola výpočtu a rozvážení vzorku na třetiny. Teprve po skončení rozvážení třetin vsypeme třetiny frakce ze síta o velikosti ok 2 mm jednotlivě do jednotlivých třetin frakce o velikosti agregátů větší než 5 mm. Tím si uvolníme víka Petriho misek pro rozdělení frakce z dalšího síta. Výše uvedený postup opakujeme u každého síta použité sady. Výše uvedeným postupem jsme získali tři paralelní vzorky o naprosto stejném zastoupení agregátových frakcí. 1. část použijeme na zrnitostní rozbor na sítech pod vodou. 2. část proséváme na sítech pod vodou po rychlém nasycení. 3. část proséváme pod vodou po kapilárním nasycení vodou. Aplikace Připravila jsem si 3 paralelní vzorky o stejném zastoupení agregátových frakcí, které jsem přesála a zvážila, podle daného postupu. Komentář Postupovala jsem přesně podle postupu, nebylo nutné na postupu nic měnit nebo zjednodušit.
Potřeby
3.2.1.3.2.
Zrnitostní rozbor na sítech proplavováním pod vodou
Původní metodika Váhy s přesností vážení 0,01 g, sada sít o velikosti ok, 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,1 mm, porcelánové odpařovací misky, laboratorní stojan, držáky na nálevku, skleněnou nálevku o průměru 30 cm, vysoušečky, několik střiček z PVC, nádoba na vodu asi 50 cm vysoká (spodní díl srážkoměru), sušárna, foto misku 50 x 60 cm, třepačka, silnostěnnou láhev o obsahu 500 ml. Aplikace Velikost sady ok jsem požila podle možností laboratoře a to 4; 2; 1; 0,5; 0,1 mm. Jako silnostěnnou láhev s víkem jsem použila zavařovací sklenici se šroubovacím víkem, dále jsem použila vysoušečky, střičku, sušárnu. Komentář U provádění rozboru není nutné použít laboratorní stojan, držák na nálevku a skleněnou nálevku, obsah ze sít lze střičkou jednoduše vpravit na síta.
19
Postup rozboru
Původní metodika K rozboru použijeme 1. část vzorku připravenou předcházejícím postupem. Agregáty vpravíme do silnostěnné láhve a přelijeme je vodou a rozrušíme třepáním na třepačce třepáním po dobu 1 hodiny. Rozrušené agregáty potom beze zbytku sestříkneme na horní síto sady sít s velikostí ok 5 mm; 2 mm; 1 mm; 0,5 mm a 0,1 mm. Síta v sadě jsou srovnána sestupně podle velikosti ok, tj. nahoře nejhrubší a dole nejjemnější. Nyní necháme sadou sít protékat vodu při současném roztírání vzorku na horním sítě sady. Po důkladném rozetření všech agregátů na sítě sestříkneme obsah síta o průměru 5 mm přes skleněnou nálevku upevněnou na stojanu do připravené porcelánové misky. Po sedimentaci suspenze opatrně sléváme čistou vodu. Z porcelánové misky sestříkneme zrna přes skleněnou nálevku do předem připravené a zvážené vysoušečky. Roztírání provádíme potom na sítu o velikosti ok 2 mm a dále postupujeme stejně. Při sestříkávání suspenze nesmíme zapomenout ostříkat též nálevku. Postupně tímto způsobem získáme zrnitostní frakce ze všech sít použité sady. Při tom je nutné velmi pečlivě ostříkat jednotlivá síta. Zrnitostní rozdělení vzorku máme potom v pěti vysoušečkách. Vysoušečky, po vysušení při 105°C do konstantní váhy, zvážíme. Aplikace Vzorek na třepačce jsem ponechala 1 h při 80 amplitudách. Jednotlivé frakce ze sít jsem sestříkla přímo do připravených a zvážených vysoušeček, po usazení vzorku jsem odlila čistou vodu a vzorky vysušila do konstantní váhy v sušárně. Komentář Díky zjednodušení aplikace vzorku ze síta do vysoušeček, jsem nemusela použít porcelánové misky, skleněnou nálevku a stojan. Kde není laboratoř vybavena třepačkou, je možné připravit vzorek k zrnitostnímu rozboru vařením po dobu 2 hodin.
20
3.2.1.3.3.
Agregátový rozbor na sítech proplavováním pod vodou při rychlém
Potřeby
Původní metodika Váhy s přesností vážení 0,01 g, sada sít o velikosti ok 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,1 mm, porcelánové odpařovací misky o průměru 18 cm, laboratorní stojan, držáky na nálevku, skleněnou nálevku o průměru 30 cm, vysoušečky, několik střiček z PVC, nádoba na vodu asi 50 cm vysoká (spodní díl srážkoměru), drátěné spínací zařízení na sadu sít, sušárna, foto misku 50 x 60 cm. Aplikace Velikost sady ok jsem požila podle možností laboratoře a to 4; 2; 1; 0,5; 0,1 mm. Předem jsem si připravila nádobu na vodu, v mém případě jsem použila 10 l kbelík, do kterého jsem později vložila sadu sít se vzorkem, dále jsem použila odpařovací misky, střičku, foto misku 50 x 60 cm, sušárnu. Komentář U provádění rozboru není nutné použít laboratorní stojan, držák na nálevku a skleněnou nálevku, obsah ze sít lze střičkou jednoduše vpravit na síta. Pokud spojená sada sít drží dobře pohromadě, není nutné použít drátěné spínací zařízení.
Postup rozboru
nasycení vzorku vodou.
Původní metodika K rozboru použijeme 2. Část předem připraveného vzorku. Vzorek vsypeme do porcelánové misky o průměru asi 18 cm. V misce zalijeme vzorek vodou, opatrně po stěně misky, tak aby byl celý ponořený, a necháme 24 hodin stát. Druhý den sestříkneme vzorek na horní síto sady srovnáme dříve uvedeným způsobem. Sadu sít máme vloženou na fotomisce, která je poněkud nakloněna tak, aby voda stékala k jedné straně fotomisky. Potom sadu sepneme drátěným spínacím zařízením a ponoříme do připravené nádoby s vodou. Horní okraj vrchního síta nesmí být během celého rozboru ponořen pod vodou – nebezpečí ztráty části vzorku. Nyní pohybujeme sadou ve vodě nahoru a dolů asi 50 krát až 60 krát za 2 minuty. Potom síta vyjmeme, necháme okapat a vložíme na fotomisku. Odstraníme drátěné spínací zařízení a nyní z jednotlivých sít sestříkneme agregátové frakce do připravených vysoušeček způsobem popsaným u zrnitostního rozboru. Aplikace Jednotlivé frakce ze sít jsem sestříkla přímo do připravených a zvážených vysoušeček, po usazení vzorku jsem odlila čistou vodu a vzorky vysušila do konstantní váhy v sušárně. Komentář Díky zjednodušení aplikace vzorku ze síta do vysoušeček, jsem nemusela použít porcelánové misky, skleněnou nálevku a stojan.
21
3.2.1.3.4.
Agregátový rozbor na sítech proplavováním pod vodou při kapilárním
Postup rozboru
Potřeby
nasycení vzorku vodou Původní metodika Váhy s přesností vážení 0,01 g, sada sít o velikosti ok 5 mm, 2 mm, 1 mm, 0,5 mm, 0,1 mm, Petriho misky o průměru 10 a 15 cm, filtrační papír, porcelánové odpařovací misky o průměru 18 cm, laboratorní stojan, držáky na nálevku, skleněnou nálevku o průměru 30 cm, vysoušečky, několik střiček z PVC, nádoba na vodu asi 50 cm vysoká (spodní díl srážkoměru), drátěné spínací zařízení na sadu sít, sušárna, foto misku 50 x 60 cm. Aplikace Velikost sady ok jsem požila podle možností laboratoře a to 4; 2; 1; 0,5; 0,1 mm, Petriho misky o průměru 10 a 15 cm, filtrační papír, střičku, sušárna, foto misku 50 x 60 cm Komentář U provádění rozboru není nutné použít laboratorní stojan, držák na nálevku a skleněnou nálevku, obsah ze sít lze střičkou jednoduše vpravit na síta. Pokud spojená sada sít drží dobře pohromadě, není nutné použít drátěné spínací zařízení.
Původní metodika K rozboru použijeme 3. část předem připraveného vzorku a agregátového rozboru za sucha. Pracovní postup tohoto rozboru se od předešlého liší pouze způsobem nasycování vzorku vodou. Vzorek vsypeme na filtrační papír, který zasahuje do misky s vodou. Voda je ke vzorku přiváděna tedy pouze sací silou filtračního papíru. Vzorek rozprostřeme do okruhu asi 10 cm. Vzorek se takto nasycuje vodou po dobu 24 hodin a dále se zpracovává stejným způsobem jako při rychlém nasycování. Postup nasycování: Doporučuje se polovina Petriho misky o průměru asi 15 cm zabalit do filtračního papíru a vložit dnem nahoru do porcelánové misky o průměru asi 18 cm, kterou předem naplníme vodou tak, aby hladina sahala pouze ke spodnímu okraji Petriho misky. Když je filtrační papír ovlhčený, vsypeme opatrně vzorek do okruhu asi 10 cm. Po 24 hodinách nasycování vzorku opatrně vyjmeme Petriho misku se vzorkem z porcelánové misky a pomalu (misku máme ve svislé poloze) sestříkneme na horní síto sady sít. Také je možno vzít vzorek i s porcelánovou miskou, naklonit nad síta a sestříknout. Aplikace Jednotlivé frakce ze sít jsem sestříkla přímo do připravených a zvážených vysoušeček, po usazení vzorku jsem odlila čistou vodu a vzorky vysušila do konstantní váhy v sušárně. Komentář Díky zjednodušení aplikace vzorku ze síta do vysoušeček, jsem nemusela použít porcelánové misky, skleněnou nálevku a stojan.
22
3.2.1.4.
Stabilita makroagregátů podle Sekery – alkoholová metoda (Karbusický,
Potřeby
Původní metodika Denaturovaný líh, Petriho misky o průměru 3 cm, Erlenmayerova baňka 250 ml Aplikace Pro jeden vzorek zeminy jsem si připravila 11 Petriho misek a 11 odměrek, sadu sít o velikosti ok 2 mm a 5 mm, Nádobu na vodu min 330 ml. Komentář Pro dobré posouzení rozpadu zeminy je vhodné mít pro každou sadu vzorku použít stejný typ a velikost misek.
Postup rozboru
Bartoň, 1965)
Původní metodika Příprava vzorku: Porušený vzorek půdy se nechá na vzduchu vyschnout. Připravíme agregáty o průměru 2 – 5 mm rozdrcením a prosátím vzorku na sítech o velikosti ok 2 – 5 mm. Postup rozboru: Naředíme si rozbory denaturovaného lihu v koncentracích 10 až 100 % postupně po 10 %. K ředění lihu se používá destilovaná voda. Baňky s naředěnými roztoky lihu si seřadíme vzestupně do řady, v poslední je čistá destilovaná voda a před ně si postavíme dvě řady Petriho misek. Do každé misky nalijeme příslušný roztok. Potom do každé misky vhodíme přibližně asi 10g předem připravených agregátů. Každý vzorek se dělá ve dvojím opakování. Po 20 minutách s miskou lehce zahýbeme a pozorujeme rozplavení agregátů. Stav agregátů po uplynutí 20 minut se hodnotí podle klasifikační stupnice: 1. Agregáty se nerozplaví 2. Agregáty se rozpadnou převážně na hrubší a jen několik jemnějších celků 3. Agregáty se rozpadnou na hrubé a jemné agregáty přibližně ve stejném poměru 4. Agregáty se rozpadnou hlavně na jemné agregáty a jen málo velkých 5. Agregáty se rozpadnou na samé malé agregáty 6. Agregáty se zcela rozpustí a rozplaví se na kal Aplikace Připravila jsem si 11 vzorků o 5 g zeminy s agregáty o velikosti 2 – 5 mm a 11 odměrek s 30 ml roztoku denaturovaného lihu a destilované vody v koncentracích 10 až 100%, kde v první odměrce byla pouze voda a v poslední pouze denaturovaný líh. Komentář Provádění metody je jednoduché a není nutné ho nijak měnit nebo zjednodušovat.
23
Potřeby
Stabilita makroagregátů podle Zajdelmana (Karbusický, Bartoň, 1965) Původní metodika Síta o průměru ok 5 mm; 2 mm; 0,5 mm, technické váhy s přesností vážení 0,01g,sušárna, porcelánové odpařovací misky o průměru asi 15 cm, vysoušečky, 2 skleněné nálevky o průměru 30 cm připevněné na stojanu, několik střiček z PVC, fotomiska, nádoba s vodou, gumový prst, exsikátor Aplikace Pro jeden vzorek je použila sada sít 5 mm, 2mm, 0,5mm,váhu, vysoušečky, střičku, fotomisku, 10 l kbelík. Komentář U provádění rozboru není nutné použít laboratorní stojan, držák na nálevku a skleněnou nálevku, obsah ze sít lze střičkou jednoduše vpravit na síta.
Princip a postup rozboru
3.2.1.5.
Původní metodika Princip metody: V podstatě se jedná o určení stability makroagregátů při proplavování pod vodou. Navažované množství vzorku vyschlého na vzduchu se stanoví pomocí ekvivalentní navážky k 20 g vzorku absolutně suchého. Cílem rozboru je stanovení množství vzorku, které zůstane na sítu o velikosti ok 0,5 mm. Postup rozboru: Vzorek prosíváme na sítech o velikosti ok 5 mm a 2 mm a získáme tak k rozboru potřebnou frakci vzorku o velikosti agregátů menší než 5 mm a větší než 2 mm, což je zbytek na sítě o velikosti ok 2 mm. Ze získané agregátové frakce stanovíme ekvivalentní navážku k 20 g absolutně suché zeminy. Vzorek zalijeme opatrně, aby nedošlo k rozprášení, vodou a ponecháme stát po dobu 10 minut. Po 10 minutách sestříkneme obsah misky na síto o velikosti ok 0,5 mm. Síto je přitom postaveno na fotomisce, která je mírně nakloněna. Po sestříknutí vzorku vezmeme síto za okraj a ponoříme do připravené nádoby s vodou tak, aby hladina vody v nádobě dosahovala málo pod horní okraj síta. Sítem pohybujeme zvolna směrem nahoru a dolů tak, aby vzorek byl stále ponořen. Pohyb pod vodou opakujeme asi 50 krát v rozmezí 2 minut. Potom síto vyjmeme a jeho obsah sestříkneme do připravené vysoušečky, Před rozborem vysoušečky zvážíme. Agregáty ve vysoušečce sušíme při 105°C do konstantní váhy. Po vysušení zvážíme. Po vysušení a zvážení se obsah vysoušečky vsype na síto o velikosti ok 0,5 mm. Vzorek na sítu roztíráme pod tekoucí vodou až do úplného rozrušení agregátů. Zbytek na sítu sestříkneme ze síta přes skleněnou nálevku do porcelánové misky – dále postupujeme stejným způsobem jako u výše popsaného určení agregátové frakce. Aplikace Stejně jako u Agregátového a zrnitostního rozboru na sítech jsem jednotlivé frakce ze sít sestříkla přímo do připravených a zvážených vysoušeček, po usazení vzorku jsem odlila čistou vodu a vzorky vysušila do konstantní váhy v sušárně. Komentář Díky zjednodušení aplikace vzorku ze síta do vysoušeček, jsem nemusela použít porcelánové misky, skleněnou nálevku a stojan.
24
4. VÝSLEDKY 4.1. Výsledky základních fyzikálních rozborů (Součková, 1965) Ve srovnání s ostatními metodami patří základní fyzikální vlastnosti mezi náročnější, ve výsledném srovnávání metoda dosáhli 2,7 bodů, její náročnost je především časová, pracovník musí metodu provádět ve dvou dnech, druhý den muže ze získaných výsledků dopočítat požadované výsledky. Tabulka č. 1 Výsledky srovnávání základních fyzikálních rozborů Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
body 3 4 2 2
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 1,2 0,6 0,5 0,4 2,7
V laboratoři jsem provedla fyzikální rozbor půdy podle Nováka a stanovila jsem si specifickou váhu. Hodnoty z měření jsem zapsala do tabulky č. 2. Zbylé požadované výsledné hodnoty jsem dopočítala do tabulky, podle níže uvedeného postupu. Momentální vlhkost v % objemu Je momentální obsah vody v půdním vzorku v době odběru. Vypočte se jako rozdíl momentální váhy a váhy po vysušení. Maximální kapilární kapacita v % objemu Je množství vody, které půda v přírodním nebo půdní vzorek v neporušeném stavu, je schopen udržet po určitou dobu ve svých pórech. Pro neporušené půdní vzorky je to obsah vody, který zůstane ve vzorku po 2 hodiny odsávání. Je to tedy rozdíl váhy po odsátí na filtračním papíru a váhy po vysušení. Objemová váha redukovaná (OVR) Je váha 1cm3 suché pórovité zeminy v neporušeném stavu. Vypočte se podle vzorce:
25
Specifická váha (S) Je váha 1 cm3 zeminy bez pórů. Je to poměr podílu půdy k jejímu objemu, který se zjistí z objemu vody vytlačeného pevným půdním podílem. Vypočte se jako rozdíl váhy pyknometru s vodou, k níž se připočte navážka (10g) a váhy pyknometru se zeminou. Pórovitost celková (P) v % objemu Je objem všech pórů v neporušeném půdní vzorku vyjádřený % celkového objemu neporušeného půdního vzorku. Výpočet se provede ze specifické váhy redukované podle vzorce:
Momentální vzdušnost v % objemu Je celkový objem pórů půdy vyplněných vzduchem v době odběru neporušených vzorků. Vypočte se rozdíl pórovitosti a momentální vlhkosti neporušeného vzorku. Minimální vzdušnost v % objemu Je objem pórů zeminy nasycené vodou na MKK vyplněných vzduchem. Vypočte se podle vzorce: Minimální vzdušnost = P – MKK (% obj.) Tabulka č. 2 Výsledné hodnoty laboratorního pokusu pro zjištění základních fyzikálních rozborů Vlastní výsledky analýz momentální váha [g] váha po odsátí [g] váha po vysušení [g] tára válečku [g] váha pyknometru s vodou [g] váha pyknometru se zeminou [g] rozdíl vytlačené vody [g] momentální vlhkost v % obj. maximální kapilární kapacita v % obj. objemová váha redukovaná [g] specifická váha [g] pórovitost celková v % obj. minimální vzdušnost v % obj. momentální vzdušnost v % obj.
234,67 261,72 232,94 111,57 150,78 155,69 5,09 1,73 28,78 1,21 1,96 38,27 9,49 36,54
26
Obr. č. 1 Kopeckého váleček se vzorkem zeminy, položen na filtračním papíře, přes který vzorek nasává vodu. (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 2 Kopeckého váleček se vzorkem zeminy, položen na filtračním papíře, odsávající vodu ze vzorku. (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 3 Pyknometr se vzorkem zeminy a vodou. (Šeptunová, 2012) 4.2. Výsledky mikroagregátového rozboru pipetováním Tato metoda ve výsledném srovnávání získala 4,25 bodů, což je nejvíce, ze všech srovnávaných metod. Je to způsobeno především technickou náročností, pro tuto metodu je nezbytné, aby laboratoř byla vybavena pipetovacím přístrojem, je také
27
nezbytné, aby došlo před prováděním k zaškolení personálu a k podrobnému nastudování metody před jejím prováděním. Tabulka č. 3 Výsledky srovnávání mikroagregátového rozboru pipetováním Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
body 5 3 4 4
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 2 0,45 1 0,8 4,25
Měřením jsem získala váhy jednotlivých frakcí, z nichž jsem si dopočítala zastoupení jednotlivých frakcí, které jsem zapsala do tabulky č. 4. Tabulka č. 4 Výsledné hodnoty, procentického zastoupení jednotlivých frakcí, mokroagregátového rozboru pipetováním. Vlastní výsledky analýz Frakce < 0.002 0,002 – 0,01 0,01 – 0,05 0,05 – 0,1 0,1 - 2
% 0,9 16,5 29,8 10,7 42,1
Obr. č. 4 Potřeby pro mikroagregátový rozbor pipetováním. (Šeptunová, 2012)
28
Obr. č. 5 Vzorek s dispersním činidlem na varné desce. (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 6 Pipetovací přístroj a sedimentační válec s připraveným vzorkem zeminy. (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 7 Přesévání vzorku přes sadu sít. (Šeptunová, 2012)
29
Obr. č. 8 Varná deska se vzorky odebrané pipetovacím přístrojem a přesáté přes sadu sít. (Šeptunová, 2012) 4.3. Výsledky agregátového a zrnitostního rozboru na sítech 4.3.1.
Výsledky agregátové analýzy na sítech
Metoda je jednoduchá, nelze ji však provést přímo v terénu, protože vzorky je nutné vysušit v sušičce. Tabulka č. 5 Výsledky srovnávání agregátového a zrnitostního rozboru na sítech Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
body 3 2 1 2
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 1,2 0,3 0,25 0,4 2,15
Výsledkem této metody jsou 3 paralelní vzorky o stejném zastoupení agregátových frakcí, které jsem přesála a zvážila, podle daného postupu, výsledky jednotlivých částí jsem zapsala do tabulky č. 6. Se vzorky jsem dále pracovala v níže popsaných metodách.
30
Tabulka č. 6 Hmotnost jednotlivých frakcí a jejich rozdělení do 3 vzorků Vlastní výsledky analýz Ekvivalentní navážka 150 g Frakce [mm] váha frakce 8–4 1/3 frakce váha frakce 4–2 1/3 frakce váha frakce 2–1 1/3 frakce váha frakce 1 -0,5 1/3 frakce váha frakce 0,5 – 0,1 1/3 frakce váha frakce < 0,1 1/3 frakce
Obr. č. 9 Potřeby pro rozdělení vzorku. (Šeptunová, 2012) 4.3.2.
[g] 13,31 4,43 24,36 8,12 50,05 16,68 43,63 14,54 18,43 6,14 0,23 0,08
Obr. č. 10 Tři paralelní vzorky zeminy. (Šeptunová, 2012)
Výsledky zrnitostního rozboru na sítech proplavováním pod vodou
Metoda ve výsledném srovnání dosáhla 2,95 bodů. A to především z důvodu technické náročnosti, pro metodu je nutné použít třepačku. Výsledky zastoupení jednotlivých frakcí jsem zapsala do tabulky č. 10. Tabulka č. 7 Výsledky srovnávání zrnitostního rozboru na sítech proplavováním pod vodou Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
body 5 2 1 2
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 2 0,3 0,25 0,4 2,95
31
Obr. č. 11 Vzorek zeminy na třepačce. Obr. č. 12 Váhy jednotlivých vysušených frakcí. (Šeptunová, 2012) (Šeptunová, 2012) 4.3.3.
Výsledky agregátového rozboru na sítech proplavováním pod vodou při rychlém nasycení vzorku vodou
Metoda je jednoduchá, nelze ji však provádět v terému protože vzorky jednotlivých frakcí potřebujeme vysušit v sušičce. Výsledky zastoupení jednotlivých frakcí jsem zapsala do tabulky č. 10. Tabulka č. 8 Výsledky srovnávání agregátového rozboru na sítech proplavováním pod vodou při rychlém nasycení vzorku vodou Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
4.3.4.
body 3 2 1 2
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 1,2 0,3 0,25 0,4 2,15
Výsledky agregátového rozboru na sítech proplavováním pod vodou při kapilárním nasycení vzorku vodou
Metoda je jednoduchá, nelze ji však provádět v terénu, protože vzorky jednotlivých frakcí potřebujeme vysušit v sušičce. Tabulka č. 9 Výsledky srovnávání agregátového rozboru na sítech proplavováním pod vodou při kapilárním nasycení vzorku vodou Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
body 3 2 1 2
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 1,2 0,3 0,25 0,4 2,15
32
Výsledky zastoupení jednotlivých frakcí jsem zapsala do tabulky č. 10. I. a II. způsob agregátového rozboru se liší pouze ve způsobem nasycení vzorku vodou. Časová i technická náročnost je u obou metod shodná. Způsob rozboru s rychlým nasycením vodou je trochu jednodušší, nepotřebujeme k metodě filtrační papír ani Petriho misky, vzorek pouze jednoduše zalijeme vodou. Podle hodnot v tabulce č. 4 můžeme porovnat, jak se liší výsledné zastoupení frakcí z jednotlivých metod. U metod s rychlým nasycením vzorku vodou (vzorek č. II) a kapilárním nasycením vzorku vodou (vzorek č. III.) nejsou velké rozdíly u zastoupení frakcí. Doporučila bych proto, z těchto dvou metod, používat metodu, kde provádíme rychlé nasycení vzorku vodou. Tabulka č. 10 Váh frakcí jednotlivých vzorků Vlastní výsledky analýz Číslo vzorku Ekvivalentní navážka [g] Frakce [mm] váha frakce [g] 8–4 % váha frakce [g] 4–2 % váha frakce [g] 2–1 % váha frakce [g] 1 -0,5 % váha frakce [g] 0,5 – 0,1 % váha frakce [g] < 0,1 %
Obr. č. 13 Rychlé a kapilární nasycení vzorků vodou. (Šepunová, 2012)
I 50
II 50
III 50
1,22 2,44 3,83 7,66 6,25 12,50 17,05 34,09 14,33 28,66 7,33 14,65
0,68 1,36 3,08 6,16 15,97 31,94 12,84 25,68 11,13 22,26 6,3 12,6
1,09 2,18 4,14 8,28 17,16 34,32 12,14 24,28 12,00 24 3,47 6,94
Obr. č. 14 Proplavování a přesévání vzorku. (Šepunová, 2012)
33
Obr. č. 15 Vysoušení vzorků v sušičce. (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 16 Vážení vysušených vzorků. (Šeptunová, 2012)
4.4. Výsledky stability makroagregátů podle Sekery Tato metoda dosáhla 1 bodu z výsledného srovnávání, ze srovnávacích metod je tedy nejsnadnější ve všech ohledech a jako jedinou ji můžeme použít v terénu. Tabulka č. 11 Výsledky srovnávání stability makroagregátů podle Sekery Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body 1 1 1 1
body celkem 0,4 0,15 0,25 0,2 1
Hodnocení, které jsem provedla podle klasifikační stupnice, jsem zapsala do tabulky č.12. Tabulka č. 12 Hodnocení stability agregátů podle Sekerovi stupnice Vlastní výsledky analýz % ředění denaturovaného lihu 10 20 30 40 4 3 3 3
50 2
60 2
70 2
80 2
90 1
100 1
H2O 4
34
Obr. č. 17 Rozvážení agregátů (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 18 Připravené agregáty a roztoky (Šeptunová, 2012)
Obr. č. 19 Agregáty zalité roztoky.
Obr. č. 20 Detail vzorku agregátů zalitých
(Šeptunová, 2012)
denaturovaným lihem. (Šeptunová, 2012)
4.5. Výsledky stability makroagregátů podle Zajdelmana Provádění metody je jednoduché, nelze ji však aplikovat v terénu, protože pro dosažení výsledků je nezbytné vzorek několikrát vysušit v sušičce. Tabulka č. 13 Výsledky srovnávání stability makroagregátů podle Zajdelmana Výsledky srovnávání Náročnost na technické vybavení Časová náročnost Interpretace výsledků Náročnost na zaškolení personálu
body 3 2 1 2
váha 0,40 0,15 0,25 0,20 celkem
body celkem 1,2 0,3 0,25 0,4 2,15
35
Výsledné váhy agregátů jsem zapsala do tabulky č. 14, požadované výsledky jsem dopočítala podle níže popsaného postupy a zapsala do tabulky. Výpočet rozdílu hodnot ve sloupcích 3a 4 získáme čistou váhu vodostálých agregátů > 0,5 mm obsažených ve 20 g absolutně suchého vzorku. Rozdílem hodnot ve sloupci 7 a 8 získáme čistou váhu minerálních zrn větších než 0,5 mm obsažených ve 20 g absolutně suchého, stejného vzorku. Z rozdílu vah zapsaných ve sloupci 5 a 9získáme hodnotu vepsanou ve sloupci 10, tj. váha obsahu vodostálých agregátů větších než 0,5 mm bez minerálních zrn stejného rozměru. Tabulka č. 14 Výsledky rozboru
č. vysoušečky
váha po vysušení
váha vysoušečky
váha vodostálých agregátů
koeficient
3 4 201,07 g 185,18 g
váha vodostálých agregátů
2 I
minerální zrna váha vysoušečky
č. vysoušečky
1 I
váha po vysušení
č. vzorku
Vlastní výsledky analýz agregáty
5 15,89 g
6 1
7 190,12 g
8 185,18 g
9 4,94 g
10 10,95 g
Obr. č. 21 Vzorek zalitý vodou. (Šeptunová, 2012)
36
5. DISKUSE Metody, které jsem podrobněji analyzovala ve 3. kapitole a výsledky jejich praktického využití ve 4. kapitole této práce, jsem se rozhodla porovnat s metodami dnes používanými v zahraničí. Zajímalo mě, zda jsou metody nějak zjednodušeny nebo jestli jsou vyvinuty nové technologie pro hodnocení fyzikálních vlastností půd. Gee a Or (2002) popisují 2 v USA nejpoužívanější metody pro určení zrnitosti půdy, pro rozbor částic o velikosti 50 – 2000 µm je často využívána přesévací metoda a pro stanovení mokroagregátu metoda pipetovací. O zrnitostní analýze přeséváním vzorku přes sadu sít, je zmiňováno v mnoha odborných publikacích a je to metoda velmi často využívaná. Rozbor lze provádět za sucha nebo za mokra, například při určování stability agregátu. Rozdíly v těchto metodách jsou ve zvolení velikosti sady sít. U mokré metody pak navíc způsobu nasycení vzorku vodou, kde se mění časy pro nasávání a principy nasávání, například rychlé nasycení nebo kapilární nasycení vzorku. Rozdíly jsou také ve způsobu prosévaní, v některých metodách se používá proplavování sít pod tekoucí vodou pro jiné zas proplavovaní sít pod hladinou vody, kdy se síty pohybuje, vertikálně nebo krouživými pohyby po určitou stanovenou dobu, v moderních laboratořích jsou, pro tento způsob proplavovaní, vybaveny moderními přístroji, které síty pohybují. Pipetovací metoda se používá pro rozbor frakcí mikroagregátů. Numerickými propočty zjistili různí autoři pro daný typ zeminy v jaké hloubce v jakém čase a za jaké teploty odebíráme danou frakci půdy pipetovacím přístrojem. Rozdíly v metodách jsou také v látce, která je použita pro rozředění vzorku, v některých metodách je použita destilovaná voda, v jiných roztok HMP. Pro pórovitost, uvádí Flint E.L a Flint A. L. (2002) výpočet z hustoty částic a objemové hmotnosti. Pro zjištění těchto hodnot popisují, stejně jako v metodě popsané VÚMOP, využití pyknometru a Kopeckého válečku, různých tvarů a velkostí. Nimmo a Perkins (2002) popisují nejčastější metody pro určení stability agregátů. Obecně lze metody rozdělit na ty, které využívají suchý vzorek nebo metody, pro které je využit vzorek mokrý. Pro určení stability agregátu za sucha Skidmore a Powers (1982) popisují metodu, při které se měří energie potřebná k porušení agregátů, pomocí desky, vyčíslením energie prasknutí. Jako základní index použili energii
37
potřebnou k nárůstu plochy povrchu agregátů. Kemper a Rosenau (1966) popsali postup pro určení stability agregátů za mokra s použitím přístroje, do kterého se umísti síto, na ně se vloží vzorek zeminy s určitou velikostí agregátů vysušených na vzduchu, pod síta se do držáků umístí nádoby s dostatečným množstvím destilované vody, takovým, aby zalila vzorky zeminy na sítech, pomocí motoru se síta pohybují, po určitém čase se vyjmou nádoby s vodou, nové nádoby se naplní se destilovanou vodou s dispergačním činidlem a vloží se nazpět síty se opět pohybuje pomocí motoru, po několika minutách se vypne motor a nádoby obsahují agregáty, které byly stabilní. Metoda se tolik neliší od metody popsané ve 3. Podobně popsaných metod je několik, jejich rozdíly jsou především v časech namáčení a přesévání a ve velikosti ok sít. Zajímavý rozdíl je však v popsání přípravy vzorku, Nimmo a Perkins (2002) udávají, že vzorek nachystaný pro mokrou metodu by měl být vyschlý pouze na vzduchu, protože vzorky vysušené do konstantní váhy v sušičce mají stabilnější agregáty právě díky tomuto sušení, v metodě, kterou popsal Karbusický a Bartoň (1965) se vzorek vysouší v sušičce. Metodiky je vhodné použít i pro posuzování fyzikálních vlastností, které jsou pak využity pro posouzení kvality substrátů, pouze však do určitého poměru zeminy a organického materiálu. Pro přesné stanovení hranic, po které by poměr půdy a organického materiálu byl hraniční pro použití těchto metodik, by metodiky musely být testovány na více vzorcích s různým zastoupením materiálů. Z hlediska rozsahu bakalářské práce, jsem tyto testy neprováděla.
38
6. ZÁVĚR V bakalářské práci jsem se zabývala posouzením metodik pro stanovení stability půdních agregátů a metodik pro stanovení základních fyzikálních charakteristik (zrnitost, specifická hmotnost, pórovitost apod.). Podle metodiky, vytvořené Výzkumným ústavem meliorací a ochrany půdy, jsem je prakticky vyzkoušela v laboratoři, abych mohla posoudit jejich praktické využití, náročnost jejich provádění, na podmínky a potřebné pomůcky. Z vybraných metodik, pouze Mikroagregátový rozbor pipetováním, nemůže být prováděn v laboratoři Ústavu ochrany a tvorby krajiny, z důvodu náročnosti na technické vybavení, tato metodika je také, oproti ostatním metodikám, náročnější na zaučení personálu. Jako nejjednodušší metodiku jsem shledala Určení stability makroagregátů podle Sekery, jako jedinou ji lze provádět v terénu, lze ji provést za krátký čas a k provádění postačí jednoduchý manuál. Ostatní metody jsou vhodné k provádění v laboratorních podmínkách ÚTOK, není pro jejich provádění nutný zaškolený personál, k jejich provádění stačí nastudovat manuál, metodiky nejsou ani příliš časově náročné a stačí pro jejich provádění standardně vybavená laboratoř s váhou a sušičkou. Při porovnání metodik s metodikami využívaných v zahraničí jsem nenašla pro stanovení posuzovaných fyzikálních vlastností půd velmi rozdílné metodiky, liší se pouze drobnými změnami v postupu, času nebo využívaných pomůcek. Tyto metodiky jsou praktické a ve světě běžně používané.
39
7. SUMMARY In the thesis, I focused on evaluation of methodologies for determining the stability of soil aggregates and methodologies for determining the basic physical characteristics (texture, specific weight, porosity, etc.). According to the methodology created by Research Institute of Soil and Water Conservation, I tried them in practice in the laboratory in order to assess their practical use, demands of their implementation, conditions and requisites. Out of the selected methodologies, only Pipetting Analysis of Microaggregates cannot be conducted in the laboratory of the Department of Landscape Formation and Protection, due to demands for technical equipment. Compared to other methodologies, this methodology is more difficult for the staff to acquire. I have found The Determination of the Macroaggregates Stability by Sekera as the simplest methodology since it is the only one which can be used in terrain, it is possible to perform it in a short time and just a simple manual is sufficient for performing. Other methods are suitable for implementation in the laboratory of DLFP, trained staff is not required for their implementation, their implementation requires only a manual, methodologies are not too time consuming and a laboratory equipped with a standard weight and a dryer is sufficient for their implementation. When comparing these methodologies with methodologies used in foreign countries, I have not found the methodologies for determining the physical properties of soils very different one from another, they differ only in minor alterations in procedure, time or used equipment. These methodologies are practical and commonly used in the world.
40
8. CITOVANÁ LITERATURA BARTOŇ, K., Laboratorní metodiky: Agregátový a zrnitostní rozbor na sítech. Výzkumný ústav meliorací. Krásná Lípa 1965. 6s. ELLIOT, E. T. (1986). Aggregate structure and carbon, nitrogen and phosphorus in native and cultivated soils. Soil Science Society of America Journal, 50, 627–633. FLINT, L. E., FLINT, A. L., Porosity. In CAMPBELL, G. S., DANE J. H., a TOPP, G. C. Methods of soil analysis. Madison, Wis.: Soil Science Society of America, 2002, 1692 s. ISBN 0-89118-841-x. GALÁN, J. F. H., et al., 2008. Physical and Chemical Properties in Soils in Conversion to Organic Management. In Internation meeting on soil fertility land management and agroklimatology. p:125 – 133. GEE, G. W., OR, D., Particle - Size Analysis. In CAMPBELL, G. S., DANE J. H., TOPP, G. C. Methods of soil analysis. Madison, Wis.: Soil Science Society of America, 2002, 1692 s. ISBN 0-89118-841-x. KARBISICKÝ P., BARTOŇ K., Laboratorní metodiky: Stabilita makroagregátu podle Seker a Zajdelmana. Výzkumný ústav meliorací. Krásná Lípa 1965. 4s. KARBUSICKÝ, P., Laboratorní metodiky: Mikroagregátový rozbor pipetováním. Výzkumný ústav meliorací. Krásná Lípa 1966. 2s. KEMPER, W.D., ROSENAU, R.C., 1986. Size distribution of aggregates. p. 635–662. In A. Klute (ed.) Methods of soil analysis. Part 1. 2nd ed. Agron. Monogr. 9. ASA and SSSA, Madison, WI. KHALEEL, R., REDDY, K. R., OVERCASH, M. R., 1981. Changes in Soil Physical Properties Due to Organic Waste Applications: A Review. Environ. Qual. 10:133 – 141. KUTÍLEK, M. Vodohospodářská pedologie. Praha: SNTL, 1978, 295 s. NIMMO, J. R, PERKINS, K. S. Aggregate stability and Size Distribution. In CAMPBELL, G. S., DANE J. H., a TOPP, G. C. Methods of soil analysis. Madison, Wis.: Soil Science Society of America, 2002, 1692 s. ISBN 0-89118-841x. OADES, J. M., WATERS, A. G. (1991). Aggregate hierarchy in soils. Australian Journal of Soil Research. 29, 815–828. doi:10.1071/SR9910815.
41
PICCOLO, A., MBAGWU, J., 1999. Role of Hydrophobic Components of Soil Organic Matter in Soil Aggregate Stability. Soil Science Society of America Journal. 63: 1801 – 1810. RUAN, H., ILLANGASEJARE, T. H., 1998. A model to couple overland flow and infiltration into macroporous vadose zone. Elsevier. 210: 116 – 127. www.elsevier.com SKIDMORE, E.L., POWERS, D.H. 1982. Dry soil - aggregate stability: Energy based index. Soil. Sci. Soc. Am. J. 46: 1274 – 1279. In NIMMO, J. R, PERKINS, K. S. Aggregate stability and Size Distribution. In CAMPBELL, G. S., DANE J. H., a TOPP, G. C. Methods of soil analysis. Madison, Wis.: Soil Science Society of America, 2002, 1692 s. ISBN 0-89118-841-x. SOUČKOVÁ, M., Laboratorní metodiky: Základní fyzikální rozbory. Výzkumný ústav meliorací. Krásná Lípa 1966. 8s. VOGELER, I., 2008. Effect of Long-term Wastewater Application on Physical Soil Properties. Springer. 196:385 – 392. www.springer.com. WATTS, C.W., et al., 1996. Structural stability of two Romanian soils as influenced by management practices. Land Degradation Dev. 7:217–238. WEILER, M., 2005. An infiltration model based on flow variability in macropores:development, sensitivity analysis and applications. Elsevier. 310: 294 – 315. www.elsevier.com ZHUANG, J., McCARTHY, J. F., PERFECT, E., 2008. Soil Water Hysteresis in WaterStable Microaggregates as Affected by Organic Matter. Soil and water managenet and conservation, 72: n.1.
42
