PEDOGEOCHEMIE Doc. Dr. Ing. Luboš Borůvka

ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE FAKULTA AGROBIOLOGIE, POTRAVINOVÝCH A PŘÍRODNÍCH ZDROJŮ

PEDOGEOCHEMIE Doc. Dr. Ing. Luboš Borůvka

2005

© Česká zemědělská univerzita v Praze 2005 ISBN 80-213-1309-9

PŘEDMLUVA Půda představuje jednu ze základních složek životního prostředí a jako taková se významně podílí na celkovém koloběhu prvků a látek v přírodě, na jejich geochemii. Znalost zdrojů látek v půdě, procesů jejich chování, přeměn, zadržování a pohybu by tedy mělo být nedílnou součástí vzdělání v geochemii. Tento učební text vznikl z přednášek Pedogeochemie pro studenty oboru Geologie životního prostředí a Geochemie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Obsahuje snímky z programu MS PowerPoint tak, jak jsou na přednáškách promítány, a měl by proto sloužit jako osnova, do které si studenti mohou dělat poznámky z výkladu. Jde tedy o jakýsi pracovní text, který by měl být doplněn vlastními poznámkami studentů; proto je pro tyto poznámky vymezen značný prostor. Nejde o učebnici, tento text sám o sobě si neklade za cíl podrobné vysvětlení jednotlivých problémů či procesů v půdě. K tomu je na konci uveden výčet nejdůležitější literatury, která byla při tvorbě tohoto textu použita a ve které lze najít podrobnější rozbor jednotlivých okruhů, i když samozřejmě tento výčet není úplný, řadu dalších poznatků a informací lze najít v odborných a vědeckých časopisech či na internetu. Záběr skript a celého předmětu je poněkud širší než by napovídal samotný název „pedogeochemie“. Vzhledem k tomu, že studenti, pro které je předmět určen, většinou neabsolvovali v předchozím studiu obecnou pedologii, na kterou ale musí vlastní pedogeochemie navazovat, je první část věnována právě stručnému přehledu obecné pedologie, tzn. složení a vlastnostem půdy, půdním procesům, vzniku a vývoji půdy a přehledu klasifikace půd. Hlavní pozornost je přitom věnována půdním vlastnostem a procesům, které ovlivňují a řídí chování, přeměny a pohyb prvků a látek v půdě. Další část skript, vlastní pedogeochemie, pak je věnována jednotlivým prvkům nebo skupinám prvků, jejich formám výskytu v půdě, chování, zdrojům atd. Zmíněno je i chování cizorodých organických sloučenin v půdě. Poslední část skript se pak stručně zabývá hlavními procesy chemické degradace půdy, kontaminací a acidifikací, a možnostmi úpravy vlastností takto degradovaných půd. Tento učební text bude distribuován především v elektronické podobě. Zajistí to jednak jeho lepší přístupnost pro studenty, jednak to umožňuje snazší aktualizaci a doplňování jeho obsahu.

Luboš Borůvka

1

ÚVOD Definice půdy: Půda = povrchová vrstva souše vyvíjející se v důsledku působení půdotvorných faktorů a podmínek. Je schopna zajišťovat životní podmínky organismům v ní a na ní žijícím.

Systémový pohled (nejširší definice): Půda = komplexní, polyfunkční, otevřený, polyfázový strukturní systém, tvořící povrchovou část litosféry

Půda je: → vertikálně a horizontálně strukturované přírodní tělo → součást systému geosféra-biosféra → přírodní zdroj, hospodářsky využitelný Pedon (řecky) = země Pedosféra = „kůže“ Země, přes kterou probíhá soustavně výměna látek a energie mezi ostatními sférami Půda jako geomembrána tuto výměnu reguluje (propouštění, odraz, akumulace, přeměny…)

Pedosféra v systému geosfér Terestrická biosféra Atmosféra Pedosféra

Hydrosféra Litosféra

2

Význam a funkce půdy ‡ Produkční

funkce

zemědělská „ lesnická ‡ Mimoprodukční

Fixace rostlin Výživa rostlin ‡ Koloběh látek ‡ Koloběh vody ‡ Tvorba CO2 ‡ Přeměny organické hmoty ‡ Přeměna sluneční energie ‡ Detoxikace cizorodých látek ‡ ‡

„

f.

rekreační „ ekologické „ technické „ aj. „

Úrodnost půdy = schopnost půdy poskytovat nutné životní podmínky pro rostliny i edafon Úrodnost je dána souborem fyzikálních, fyzikálně chemických, chemických a biologických vlastností půdy Úrodnost potenciální (přirozená) je dána genetickým vývojem - schopnost půdy poskytovat úrodu bez zásahu člověka Úrodnost efektivní je skutečná úrodnost po zásahu člověka Úrodnost umělá - u antropogenních půd Produkční schopnost - je dána schopností půdy poskytovat výnosy určité plodiny

Rozdělení půdního fondu světa ZEMĚ ………. 51,01.109 ha ….. 1/1

→ 100 %

OCEÁNY ……. 36,13.109 ha ...… 2/3

→ 70,8 %

SOUŠE ………. 14,88.109 ha ...…1/3

→ 29,2 %

Souše …………… 14,9.109 ha → 100 % Orná půda ………... 1,5.109 ha → 10 % → 0,25 ha na 1 obyvatele (v ČR 0,31 ha)

3

Využití půdního pokryvu ČR (Zdroj: MZe) Využití Orná půda Trvalé travní porosty Chmelnice Vinice Zahrady a sady Celkem zemědělské půdy Lesy Vodní plochy Stavby a komunikace Ostatní území Celková rozloha

Rozloha % celkové % (km2) plochy zeměděl. půdy 31 006 39,32 72,37 9 473 12,01 22,11 113 0,14 0,26 155 0,20 0,36 2 096 2,66 4,89 42 843 54,33 100,00 26 338 33,40 1 590 2,02 1 301 1,65 6 788 8,61 78 860 100,00

Úbytek z.p. v letech 1990-1995:

154 km2

0,36 %

VZNIK A VÝVOJ PŮDY klimatický faktor

biologický faktor

člověk

voda

půdotvorný

mateční zvětrávání hornina

půdotvorný proces substrát zvětrávání

půda

Podmínky půdotvorného procesu: - čas - reliéf

4

Vznik a vývoj půdy Půda = f ( kl, o, r, s, t ) ( Jenny 1941 – CLORPT)

kl = klima (CLimate) o = organismy (Organisms) r = reliéf (Relief) s = substrát (mateční hornina, Parent meterial) t = čas (Time) Možno rozšířit o podzemní vodu a antropogenní činnost

Litogenní faktor půdotvorného procesu Mateční hornina (půdotvorný substrát) →předmět přeměn →přímý materiální faktor Textura a struktura horniny ovlivňuje: ‡ zrnitost a hloubku půdy ‡ prostorové uspořádání půdy ‡ transportní a transformační procesy Chemické složení horniny ovlivňuje: obsah bazických kationtů ‡ obsah rozpustných solí a živin ‡ „pozaďové“ koncentrace rizikových prvků ‡

Klimatický faktor půdotvorného procesu Podnebí: → materiální faktor → energetický faktor Nejvýznamnější složky: ‡ srážky ‡ teplo  poměr srážek a výparu ‡ vítr, mráz …

5

Biologický faktor půdotvorného procesu Edafon a vegetace: → zdroj humusotvorného materiálu → transformační procesy v půdě → biologický koloběh látek

Fakultativní faktory Podzemní voda (nebo povrchové zamokření): ‡ redukční podmínky ‡ hydromorfní vývoj Lidská činnost (kultivace aj.): ‡ změny v chemických i fyzikálních vlastnostech ‡ změny v prostorovém uspořádání ‡ změny v koloběhu prvků …

Podmínky půdotvorného procesu Reliéf: ‡ nadmořská výška ‡ svažitost ‡ expozice Čas (stáří půd): doba, po kterou nerušeně působí půdotvorné faktory ‡ relativní ‡

Absolutní stáří našich půd – holocén, tj. méně než 12 – 15 000 let

6

SLOŽENÍ PŮDY Půda Plynná fáze Kapalná fáze Pevná fáze minerální organická

MINERÁLNÍ SLOŽKA PŮDY Půdní minerály: ‡ primární ‡ sekundární

Zvětrávání hornin a minerálů Fyzikální zvětrávání – mechanické změny: ‡ vliv teploty ‡ objemové změny ‡ větrná a vodní eroze Chemické zvětrávání: ‡ rozpouštění ‡ oxidace

a redukce a hydratace

‡ hydrolýza

Biologické zvětrávání

7

Zrnitost (textura) půdy Půdní druh - určen zrnitostním složením x Půdní typ - skupina půd, určená vývojem, uspořádáním a výskytem diagnostických horizontů Frakce - % zastoupení částic daného velikostního rozmezí Kategorie - frakce či jejich soubory, použité ke klasifikaci zemin

Pojmenování frakcí a kategorií (dle Kopeckého – upraveno) Frakce

Velikost (mm) Kategorie

J E M N O Z E M

Koloidní jíl Fyzikální jíl Jemný prach

< 0,0001 < 0,001 0,001-0,01

I. kat. < 0.01 mm = jílnaté část.

Prach Práškovitý písek Písek

0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-2,0

II.kat. III.kat. IV.kat.

SKELET

Hrubý písek Štěrk Kamení

2-4 4-30 >30

KPP (Komplexní průzkum půd) → místo 0,1 se používá 0,25 mm

Zrnitost (textura) půdy Písek → hrubé póry → vysoká propustnost • Křemičitanové písky - značná minerální síla • Křemité písky - chudé půdy Jemný (práškovitý) písek → důležitý je tvar částic - většinou < 10 % Prach → příznivé fyzikální, chemické, biologické i technologické vlastnosti

8

Zrnitost (textura) půdy Jemný prach (silt) → vyšší obsah nepříznivý „ za sucha „moučnaté půdy“ „ za mokra rozbředání (slitá struktura) Jíl nejdůležitější frakce „ převážně lístkovitý charakter „ koloidní vlastnosti → fyzikální a fyzikálně-chemické vlastnosti půdy „

Zastoupení minerálů v zrnitostních frakcích Hmotnostní zastoupení

100%

Živce

Slídy

80%

Jílové minerály a oxidy

60% 40%

Křemen 20% 0%

Písek

Prach

Jíl

Stupnice půdních druhů (dle Nováka) % I. kategorie

Půdní druh

0 - 10

písčitá

10 - 20

hlinitopísčitá

20 - 30

písčitohlinitá

30 - 45

hlinitá

45 - 60

jílovitohlinitá

60 - 75

jílovitá

> 75

jíl

Označení půdy lehká

střední

těžká

9

Grafikon pro klasifikaci druhů půd podle Kopeckého (Spirhanzlův klasifikátor)

Trojúhelníkový diagram

Zrnitost

Kategorie

lehká lehčí

P, hP pH

středně těžká těžká velmi těžká

typická H, rH, R pjH, jH, rjH pJ, rJ, J

Význam zrnitosti půdy ‡ Zvětratelnost ‡ Půdotvorné

procesy ‡ Pohyb půdní vody (vsak, proudění) ‡ Provzdušnění půdy ‡ Sorpce ‡ Tepelný režim ‡ Technologické vlastnosti (obdělavatelnost) ‡ Biologická činnost

10

Zastoupení půd podle zrnitosti v půdním pokryvu ČR Písčité až hlinitopísčité půdy

19 %

Písčitohlinité až hlinité

59 %

Jílovitohlinité až jíly

17 %

Silně štěrkovité a kamenité

5%

Hlavní skupiny půdních minerálů Oxidy Si: ‡ křemen – SiO2, opál Al hydroxidy a oxyhydroxidy: ‡ gibbsit, bayerit, nordstrandit – Al(OH)3 ‡ boehmit, diaspor – AlOOH Fe hydroxidy a oxyhydroxidy: ‡ goethit, lepidokrokit - FeOOH ‡ hematit, maghemit – Fe2O3 ‡ ferrihydrit

Hlavní skupiny půdních minerálů Mn oxidy a oxyhydroxidy: ‡ birnesit, hollandit Fosforečnany: ‡ variscity, apatity Uhličitany: ‡ kalcit, dolomit, aragonit ‡ magnezit, natrit

11

Hlavní skupiny půdních minerálů Sírany – sádrovec, anhydrit Halovce – halit, fluorit Sulfidy - pyrit Hlinitokřemičitany (alumosilikáty): ‡ živce, slídy, pyroxeny, amfiboly ‡ jílové minerály

Jílové minerály v půdě -

(sekundární) vrstevnaté minerály půdy výrazný vliv na chemické i fyzikální vlastnosti půdy tvořeny tetraedry (Si) a oktaedry (Al)

Vznik, původ: ‡ zdědění ‡ přeměna primárních minerálů (zvětrávání) ‡ syntéza

Isomorfní substituce v jílových minerálech plynulá záměna iontů mřížky (Si, Al) jinými ionty bez její změny - nastává během tvorby jílových minerálů - dle poloměru iontů O2-……….. 0,264 nm 4+ ……… Si 0,078 nm → deficit kladného náboje 3+ -

Nejčastěji: Si4+ → Al3+, P5+ Al3+ → Mg2+, Fe3+, Fe2+, Li+, Ti4+

‡ tetraedry: ‡ oktaedry:

Al ……... Mg2+……… Fe3+………. Fe2+………. Ti4+………... Ca2+……….. K+………….. P5+………….

0,114 nm 0,164 nm 0,134 nm 0,166 nm 0,136 nm 0,198 nm 0,266 nm 0,070 nm

12

Klasifikace jílových minerálů (dle Grima,1953) Nekrystalické: „

skupina alofanu

Krystalické: ‡ typ 1:1 „

skupina kaolinitu

‡ typ

2:1

skupina illitu – s neexpandující mřížkou „ skupina montmorillonitu – s expandující mřížkou „

Klasifikace jílových minerálů (dle Grima,1953) Krystalické: ‡ typ 2:2 „

skupina chloritu – nesendvičová vrstva oktaedrů Mg(OH)2 - brucitu

‡ typ „

s řetězovou strukturou

skupina attapulgitu

‡ interstratifikované

minerály (se smíšenou

strukturou)

Skupina alofanu amorfní gely alumosilikátů různého složení charakteristické pro půdy na vulkanických popelech (Andosoly) ‡ dobrá struktura půdy, vysoká pórovitost, vysoká propustnost → vyluhování ‡ vysoký podíl náboje závislého na pH (variabilního) ‡ vysoká aktivita Fe, Al → vysoká sorpce P ‡ alofan, imogolit ‡ ‡

13

Skupina kaolinitu

Kaolinit (1900x zvětšeno)

Dobře krystalizovaný kaolinit s jemnými „vlákny“ illitu

14

Skupina kaolinitu ‡

další minerály: „ dickit, nakrit – isomery kaolinitu „ halloysit – struktura podobná kaolinitu

Dickit

Trubkovitý halloysit

15

Kulovitý halloysit

Skupina kaolinitu běžně se vyskytují v půdách jednoduchá struktura ‡ pevná vazba T a O ‡ velmi malá isomorfní substituce ‡ malá adsorpce kationtů ‡ nejsou bobtnavé ‡ vznikají zvětráváním i krystalizací ‡ ‡

Skupina illitu

16

Illit (17600x zvětšeno)

Skupina illitu ‡ ‡

vznikají zvětráváním slíd – depotasifikací slídám podobné, ale: „ „ „

méně dokonalá krystaličnost méně alkálií (K+) a méně vody značná subtituce Al3+ za Si4+ v tetraedrech (1/6 Si oproti slídám)

K+ brání oddálení dvojvrstev ‡ výměna kationtů - zejména na přerušených vazbách (v mezivrstevných prostorech omezena) ‡

Skupina illitu ‡

další minerál - vermikulit „ částečně bobtnavý „ častý výskyt v půdách „ K+ v mezivrství částečně nahrazen Mg2+

17

Skupina montmorillonitu (smektitu)

Montmorillonit

Montmorillonit (zvětšeno 21000x)

18

Skupina montmorillonitu (smektitu) ‡

‡ ‡ ‡ ‡

velmi slabé přitažlivé síly a nestálá vzdálenost mezi souvrstvími → bobtnavé kationty mohou být poutány i uvnitř plné nasycení (zejména K+) vede ke zpevnění struktury plná hydratace vede k rozplavení paketů další minerály: „ nontronit – velká isomorfní substituce Fe3+ v oktaedrech „ beidellit – záporný náboj vzniká celý v tetraedrické vrstvě (Al3+ → Si4+)

Skupina chloritu

Skupina chloritu pocházejí z hornin nebo se tvoří v půdách častý výskyt v půdách na vyvřelých horninách ‡ chemické složení kolísá ‡ často toxické koncentrace Cr a Ni ‡ Mg oktaedry (brucit) částečně zpevní strukturu ‡ některé chlority i bobtnají ‡ ‡

19

Skupina attapulgitu 1,34 nm

vlákno T-O-T vznikají z amfibolů a pyroxenů hydrotermální přeměnou (žilky ve vápenci a dolomitu) ‡ zejména v aridní zóně ‡ attapulgit, sepiolit ‡ ‡

Attapulgit

Interstratifikované minerály běžné kombinace jednotlivých základních typů struktur ‡ důsledek rozpadu jílových minerálů ‡ označení - začáteční písmena minerálů (IM, IK) ‡

20

Schéma depotasifikace

Vliv prostředí na typ vznikajícího jílového minerálu ŽIVCE → IONTY nebo GELY

Montmorillonit

Illit

Kaolinit

Vlastnosti jílových minerálů Bobtnavost: „ „

montmorillonity – silně bobtnavý illit, vermikulit – částečně bobtnavé

Vysoký specifický povrch: skupina kaolinitu „ skupina illitu „ skupina montmorillonitu „

10-18 m2.g-1 50-90 m2.g-1 250-500 m2.g-1

Sorpční vlastnosti

21

Sorpční kapacita jílových minerálů Minerál Kaolinit Illit Chlorit Montmorillonit Vermikulit

Sorpční kapacita (mmol(+)/100 g) 3 – 12 20 – 40 30 – 50 70 – 110 120 – 150

PŮDNÍ STRUKTURA ‡

prostorové uspořádání půdních částic

Stav uspořádání: ‡ ‡ ‡

elementární slitý – půdní škraloup agregátový

Tvorba struktury: ‡ ‡ ‡

desagregace agregace cementace

Faktory tvorby struktury ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

zrnitost (textura) koagulace koloidů přítomnost vícemocných kationtů hydroxidy a seskvioxidy Al a Fe humusové látky interakce mezi jílnatými částicemi a molekulami organické hmoty půdní organismy zpracování půdy fyzikální síly (objemové změny, mráz, vlhkost)

22

Vliv iontů na strukturu

ζ

+

+++ ++ 0

c

Vztahy mezi půdními částicemi

Typy struktury podle velikosti < 0,25 mm

‡

Mikrostruktura

‡

Makrostruktura

0,25 - 50 mm

‡

Megastruktura

> 50 mm

23

Hierarchie půdních agregátů

Makroagregáty

..

Submikroagregáty

Mikroagregáty

. . .

kořeny hyfy

.

vlásečnicové

minerální částice

obalené rostlinnými a mikrob. zbytky

kořeny

.

hyfy polysacharidy

Primární částice prachu, jílu a humusu jíl a organominerální

.

komplex

rostlinné zbytky potažené jílem

Typy struktury podle tvaru STRUKTURNÍ ELEMENTY rovnoměrně vyvinuté zaoblené

ostrohranné

vertikálně protažené

horizontálně protažené

hranolovitá

deskovitá

svrchní část bez zaoblení

kulovitá zrnitá

svrchní část zaoblená

polyedrická prismatická

sloupkovitá

Typy struktury podle tvaru

1 - kulovitá

2 - polyedrická

3a - hranolovitá

4 - deskovitá

3b - sloupkovitá

24

Ojediněle částicová struktura, minerální zrna leží izolovaně vedle sebe (elementární stav)

Nevyvinutá struktura, spraš

Drobtovitá struktura - drnový horizont, ideální stav

Drobtovitá struktura - svrchní části ornice, meziplodiny

Hrudkovitá struktura - typická pro podorničí

Smíšená struktura - 50% drobtů a 50% hrudek

25

Deskovitá struktura - zpracováním půdy nedotčené luvizemě

Význam půdní struktury Pro půdu: „ „ „ „

zadržování vody, vsak (infiltrace) propustnost pro vodu a vzduch biologická činnost rovnováha mezi rozkladnými a syntetickými procesy (mineralizace a humifikace)

Pro vegetaci: „ „ „

příznivý vodní režim uvolňování živin rozvoj a růst kořenů

PÓROVITOST PŮDY udává podíl pórů z celkového objemu půdy a jejich velikost ‡ je dána zejména: ‡

„ „

‡

zrnitostí (texturou) půdy, půdní strukturou ulehlostí a zhutněním půdy, kypřením

ovlivňuje: „ „ „ „

vzájemný poměr fází půdy pohyb vody a roztoků půdou provzdušnění půdy, pohyb plynů průběh reakcí a procesů v půdě

26

Měrná (specifická) hmotnost půdy = zdánlivá hustota půdních částic ‡ hmotnost objemové jednotky vysušené pevné fáze půdy v nejtěsnějším uložení (bez pórů) ‡ určuje ji především zastoupení křemene, živců, slíd a jílových minerálů ‡ nejčastější hodnoty: „ „

2,6 - 2,7 Mg.m-3 → průměr cca 2,65 Mg.m-3 rašeliny ~ 1,5 Mg.m-3

indikuje minerálové složení půdy a přítomnost organické hmoty ‡ označení – ρz (angl. – particle density) ‡

Objemová hmotnost půdy hmotnost objemové jednotky vysušené půdy v neporušeném stavu ‡ nejčastější hodnoty: ‡

„ „ „

‡

běžné minerální půdy - 1,2 - 1,6 Mg.m-3 rašeliny – až 0,11 Mg.m-3 ulehlé minerální půdy – 1,8 Mg.m-3

označení – ρd (angl. – bulk density)

Celková pórovitost půdy P

‡

ρz – ρd _______ * l00 [%] ρz

vyjadřuje se: „ „

‡

=

jako bezrozměrné číslo (0,25-0,7) v procentech objemu půdy (25-70 %)

nejčastější hodnoty: „

40-50 %

27

Dělení půdních pórů Pórovitost: „ „

‡

meziagregrátová – hrubší póry vnitroagregátová – jemnější póry

ideální stav: „ „ „

celková pórovitost - 40-50 % meziagregátová p. – 1/3 vnitroagregátová p. – 2/3

Porovnání relativního počtu makro a mikropórů

Vliv velikosti, uniformity a uspořádání zrn na množství a velikost pórů

28

Dělení pórů z energetického hlediska Pórovitost: nekapilární – gravitační síly semikapilární – gravitační i kapilární síly „ kapilární – kapilární síly (vzlínání) „ „

Síly působící na vodu v půdních pórech Síla vzlínání

Tíha

F = 2πσ r cosα

G = π r 2 ht ρ w g

r = poloměr válcovité kapiláry (m)

α = úhel smáčení

ρw = měrná hmotnost vody (103 kg m-3)

F=G

g = tíhové zrychlení (9,81 m s-2)

σ = povrchové napětí vody (N m-1) ht = výška vzlínání do rovnovážného stavu (m)

Ekvivalentní poloměr pórů = poloměr náhradních kapilár, které se při odtažení vody z jednotkového objemu půdy uplatní stejně jako skutečné - přirozené pórové trubice

r=

2σ cosα [m] ρ w g ht

r=

2 σ cos α [m ] p

r = poloměr válcovité kapiláry (m)

σ = povrchové napětí vody (N m-1)

α = úhel smáčení

ht = tlaková výška (m)

ρw = měrná hmotnost vody (103 kg m-3)

p = použitý tlak (Pa)

g = tíhové zrychlení (9,81 m s-2)

29

Zhutnění (utužení) půdy Druhy: „ „

přirozené (asi 20 % našich půd) technogenní (těžká mechanizace)

Důsledky: „ „ „ „ „

snížení pórovitosti, zvýšení objemové hmotnosti omezení mikrobiální činnosti omezení vývoje kořenů snížení propustnosti pro vodu i vzduch zhoršení obdělavatelnosti

VODA V PŮDĚ Půdní voda = veškerá voda vyskytující se trvale nebo dočasně v půdním profilu (kapalná, pevná, plynná fáze) ‡ ‡ ‡

má vztah k půdotvorným procesům a k vegetaci hybná síla všech pochodů podmínka vzniku půdy a života v ní

Bilance vody v půdě Vstupy (zdroje) ‡ ‡ ‡ ‡

srážky, kondenzace podzemní voda závlahy (voda z odumřelých kořenů a mikroorganismů)

Výstupy ‡ ‡ ‡

povrchový a podzemní odtok evaporace transpirace

30

Retenční schopnost půdy 1 ha hloubka pórovitost kapilární pórovitost

~0,7 m ~50 % ~50 %

10.000 m2 7.000 m3 3.500 m3 ~1.700 m3

Půdní vlhkost = množství vody v půdě (v pórech)

θ = w⋅

Objemová vlhkost (θ)

ρd ρw

= poměr objemu vody k celkovému objemu půdy

θ=

Vw (⋅100%) V

Hmotnostní vlhkost (w) = poměr hmotnosti vody k hmotnosti tuhé fáze půdy (105ºC)

w=

mw (⋅100% ) mz

Metody stanovení vlhkosti půdy Gravimetrická metoda základní – srovnávací metoda rozdíl mezi hmotností vlhké a suché (105, resp. 60ºC) půdy Odporová metoda ‡ el. vodivost půdy jako funkce vlhkosti Kapacitní metoda ‡ dielektrická konstanta půdy jako funkce vlhkosti Metoda TDR (Time Domain Reflectometry) ‡ zpomalení el. impulsu při průchodu půdou Neutronová metoda ‡ zpomalení rychlých neutronů po interakci s atomy H Gamaskopická metoda ‡ zeslabení nebo rozptyl γ záření v půdě ‡ ‡

31

Kategorie půdní vody Gravitační voda ‡ ‡ ‡ ‡

převládá působení zemské tíže dočasně v hrubých pórech není pevně vázána pevnou fází – tzv. volná voda význam pro transport látek v půdním profilu

Kapilární voda ‡ ‡ ‡ ‡

převládá působení kapilárních sil (adheze a koheze) výška vzlínání je prakticky omezena hodnotou 2-3 m dělí se na vodu lehce a těžce pohyblivou (lentokapilární) se vzrůstající výškou klesá rychlost vzlínání

Kategorie p. v. Kapilární voda ‡ vzlínání

Kategorie půdní vody Adsorpční voda ‡

poutána k povrchu částic adsorpčními a osmotickými silami „ „

‡ ‡ ‡

polymolekulární vrstva v 1. vrstvě (1 nm) síla ~600 MPa, v dalších vrstvách klesá

málo pohyblivá (pouze v plynném stavu) nepřijatelná pro rostliny nemá rozpouštěcí schopnost adsorpční voda

kapilární voda

32

ADSORBOVANÁ VODA

(%)

Adsorpční isotermy vody

RELATIVNÍ TLAK PAR H2O (%)

Půdní hydrolimity = vodní charakteristiky (vlhkosti) vyjadřující vztahy půdy a vody a jejich změny ‡ charakterizovány: „ vlhkostí „ pF hodnotami (log tlakové výšky)

Základní hydrolimity ‡ ‡

objektivně existující půdní vláhové charakteristiky tvoří rozmezí energetických kategorií půdní vody

Aplikované hydrolimity ‡

popisují typické vlhkostní stavy půdy

Půdní hydrolimity základní Adsorpční vodní kapacita - AVK ‡ ‡

maximální množství vody poutané adsorpčními silami rozmezí mezi adsorpční vodou a těžce pohyblivou kapilární vodou

Lentokapilární bod - LB ‡ ‡

rozmezí mezi těžce a lehce pohyblivou kapilární vodou pF 3,1 – 3,5

Retenční vodní kapacita - RVK ‡ ‡ ‡

maximální množství vody, které je půda po nadměrném zavlažení schopna zadržet vlastními silami rozmezí mezi kapilární a gravitační vodou pF 2 – 2,8

33

Půdní hydrolimity aplikované Bod vadnutí - BV ‡ ‡ ‡

minimální mez fyziologicky využitelné vody vlhkost, kdy rostliny jsou trvale nedostatečně zásobeny půdní vodou a vadnou smluvně: 15 .105 Pa (1,5 MPa), nebo pF = 4,18

Polní vodní kapacita - PK ‡

ustálený (kvazistacionární) stav vlhkosti přirozeného půdního profilu po nadměrném zavlažení shora

Maximální kapilární kapacita – MKK (podle B. Nováka) ‡

přibližný kvazistacionární stav, který dobře charakterizuje rozdělení vlhkosti při vzlínání vody z hladiny podzemní vody a počátečně ustálenou vlhkost v půdě po závlaze (srážce)

34

Klasifikace půdní vody podle Drbala (1962)

Příčný řez kořenem obklopeným půdou ve vlhké (a) a suché (b) půdě

Potenciál půdní vody = práce, kterou je třeba dodat na odtržení a přemístění částečky čisté vody z místa s atmosférickým tlakem na srovnávací úrovni (zpravidla hladina podzemní vody) do daného místa v půdě ‡

energie vztažená na jednotku vody: „ na jednotku hmotnosti vody - [J.kg-1] „ na jednotku objemu vody - Pa [N.m-2] „ na jednotku tíhy vody (hmotnost x g) - [m]

‡

určuje poutání a pohyb vody v půdě lze rozdělit na složky (dílčí potenciály)

‡

35

Potenciál půdní vody - složky Gravitační potenciál - ϕg ‡

dán zemskou tíhou ϕg = g.z, kde: g je tíhové zrychlení, z výška nad hladinou podzemní vody

Vlhkostní potenciál - ϕw ‡ ‡

působení rozdílných vlhkostí – matriční síly projevuje se jako sací tlak (podtlak)

Potenciál půdní vody - složky Pneumatický potenciál - ϕa ‡

vnější tlak plynů

Osmotický potenciál - ϕo ‡

rozdíl koncentrace rozpustných solí

Zátěžový potenciál - ϕe ‡

zatížení půdy, deformace

Potenciál půdní vody Tlakový (tenzometrický) potenciál - ϕp ‡

tlak měřený tenzometrem

ϕp = ϕ w + ϕa + ϕe Celkový potenciál - Φ Φ = ϕg + ϕ w + ϕa + ϕo + ϕe ‡

při záporném potenciálu půda poutá vodu

36

Potenciál půdní vody - vyjádření Sací tlak ‡

vlhkostní potenciál jako podtlak (Pa)

Tlaková výška - h ‡

metry nebo cm vodního sloupce potřebné k odsátí vody z půdy – k dosažení rovnovážného stavu

pF (Schofield) pF = log h, kde h je v cm

Tenzometr

37

Tenzometr

Retenční čáry vlhkosti (pF křivky) = grafické zobrazení vztahu mezi vlhkostí půdy a vlhkostním potenciálem (resp. sacím tlakem nebo tlakovou výškou)

38

Tlaková výška h (cm) či pF (=log h)

vlhkost objemová θ (%)

Hystereze

Hystereze

39

Pohyb vody v půdě probíhá ve směru záporného gradientu potenciálu (tj. z místa s vyšším potenciálem do místa s nižším potenciálem) ‡ komplikovaný proces, neboť: „ půda je heterogenní porézní prostředí „ pohyb je ovlivněn teplotou „ dochází ke ztrátám (rostliny, výpar…) „ nepohybuje se čistá voda, ale roztok ‡

Pohyb vody v nasycené půdě ‡ ‡

nejjednodušší popis, nejméně častý stav rychlost lze popsat Darcyho rovnicí:

v = K . ∆H/L = K . I kde: K – koeficient filtrace ∆H – rozdíl výšek hladin L – délka sloupce zeminy ∆H/L = I – hydraulický spád

Pohyb vody v nenasycené půdě komplikovanější, v půdě převládá změny oproti nasycené půdě: „ tlakové síly nahrazeny tahovými „ omezený průtočný průřez (neúplné vyplnění pórů vodou) ‡ dva druhy: „ ustálené proudění „ neustálené proudění ‡ ‡

40

Pohyb vody v nenasycené půdě Ustálené proudění ‡

lze také popsat Darcyho rovnicí:

v = - k . grad Φ kde: v – rychlost proudění k – koeficient nenasycené hydraulické vodivosti Φ – potenciál půdní vody

Pohyb vody v nenasycené půdě Neustálené proudění ‡ ‡

obsah vody se mění s časem pro popis nutno použít kombinace Darcyho rovnice a rovnice kontinuity

Rovnice kontinuity: algebraický součet hmotnosti vody vstupující do určitého objemu a hmotnosti z něj vystupující se rovná změně hmotnosti vody v tomto objemu, v nejjednodušším vyjádření: kde:

θ – vlhkost t – čas vz – rychlost ve směru z

Pohyb vody v nenasycené půdě Neustálené proudění ‡

kombinace Darcyho rovnice a rovnice kontinuity: ¨

‡

kde: θ – vlhkost t – čas z – vzdálenost mezi místy k – nenasycená hydraul. vodivost Φ – potenciál půdní vody

předpoklady řešení : „ „

znalost vztahů mezi vlhkostním potenciálem a vlhkostí definování počátečních a okrajových podmínek

41

Mísitelné proudění ‡

proudění vody s odlišnou koncentrací a složením rozpuštěných solí nebo jiných látek → mísení roztoků

Hydrodynamická disperze ‡ ‡

parabolické rozdělení rychlostí při laminárním pohybu geometrické uspořádání půdních částic

Molekulární difuse ‡ ‡

náhodný všesměrný pohyb molekul v půdním roztoku zejména při malých průtokových rychlostech

Infiltrace = vsak vody do půdy ‡ ‡ ‡

specifický případ neustáleného proudění v nenasyceném prostředí rozhoduje o využití atmosférických srážek i závlahy závisí na: „ počáteční vlhkosti „ vlastnostech půdního povrchu (struktura) „ hydraulické vodivosti „ době trvání „ výskytu brzdících vrstev v profilu

Infiltrace Rychlost infiltrace

v = dQ / F dt kde:

Q = objem infiltrující vody (m3) F = plocha půdy, přes kterou probíhá infiltrace (m2) t = čas (s)

Kumulativní infiltrace ‡

celkové množství vody zasáklé do půdy za určitý čas

i = Q / F [m]

42

Infiltrace

Infiltrace

Vodní režim půdy souhrn všech jevů vnikání vody do půdy, jejího pohybu a zadržování v půdě a unikání z půdy ‡ klasifikace podle koeficientu zavlažení (Glet, Rode): ‡

KZ = S / V (srážky / výpar) promyvný – KZ > 1 „ periodicky promyvný – KZ = 1 „ nepromyvný – KZ < 1 „ výparný – KZ << 1 „ bažinný „ závlahový - (KZ < 1) „

43

Vodní režimy půdy – Soil Taxonomy ‡

Akvický (aquic)

‡

Aridní (aridic a torric)

‡

Udický (udic)

‡

Ustický (ustic)

‡

Xerický (xeric)

„

„

„

„

„

redukční podmínky, nepřítomnost O2 > polovinu roku suché, < 90 po sobě jdoucích dnů vlhké > 90 po sobě jdoucích dnů vlhké, < 45 psj. dnů suché přechod mezi aridním a udickým > 45 psj. vlhké (zima), > 45 psj. dnů suché (léto)

Bilance vody v půdě ZZ + S + PPV + PPZ + K = E + T + OPV+ OPZ + ZK ZZ = zásoba vody v půdě na počátku bilančního období S = úhrn srážek PPV, PPZ = povrchový a podzemní přítok K = kondenzace E = evaporace T = transpirace OPV, OPZ = povrchový a podzemní odtok ZK = zásoba vody na konci bilančního období

Bilance vody

44

Bilance vody v půdě

VZDUCH V PŮDĚ = plynná fáze půdy

Význam (a faktory jeho složení): ‡ ‡ ‡

dýchání organismů výměna plynů mezi půdou a atmosférou průběh reakcí v půdě

Formy: ‡ ‡

volně pohyblivý vázaný na pevnou či kapalnou fázi „ fyzikální vazby na povrchu pevné fáze „ rozpuštěné plyny v kapalné fázi „ uzavřené bublinky v kapilárních pórech

Složení půdního vzduchu ‡ ‡

‡

velmi proměnlivé ve srovnání s atmosférickým vzduchem: „ méně O2 (10-20 % obj., ale i pouhé stopy) „ více CO2 (0,1-5 %, ale i 10, extrémně až 50 %) „ podobný obsah Ar a dalších inertních plynů (0,9 %) „ obsah N2 v závislosti na obsahu O2 a CO2 „ vodní pára

za anoxických podmínek: „ „ „

vysoká koncentrace CO2 a CH4 nízký obsah N2 (až 30-40 %) přítomny další plyny: H2S, N2O, C2H4, H2

45

Složení půdního vzduchu Kyslík (O2): ‡ ‡ ‡

z atmosféry – obsah závisí na aeraci půdy obsah obvykle klesá směrem do hloubky význam má i rozpuštěný O2

Obr.: obsah kyslíku ve vlhkém agregátu

Složení půdního vzduchu Oxid uhličitý (CO2): ‡ ‡ ‡ ‡

z dýchání organismů nejvyšší v málo provzdušněné půdě, při vyšší vlhkosti a teplotě zvyšuje se závlahou a organickým hnojením v rámci profilu je maximum: „ „

‡ ‡

při nízké hladině podzemní vody zhruba v ½ profilu při vysoké hladině podzemní vody u této hladiny

snadno rozpustný ovlivňuje pH půdy

Složení půdního vzduchu Oxid dusný (N2O): ‡ ‡

z mikrobiální přeměny dusíkatých látek (především denitrifikace) konc. až 0,01-0,65 %

Ethylen: ‡ ‡

z rostlin, mikroorganismů aj., zvláště v kyselých lesních půdách rostlinný hormon

Metan a další nasycené uhlovodíky: ‡ ‡

v anoxických poměrech při nadbytku organické hmoty (zejména zaplavované půdy a sedimenty) koncentrace až desítky %

46

Obsah vzduchu v půdě Vzdušné charakteristiky půdy: ‡

doplněk vodních charakteristik

Provzdušenost: ‡

momentální obsah vzduchu Vz = P – θmom

Pohyb vzduchu v půdě ‡

výměna mezi půdou a atmosférou

Proudění (10 %): ‡

tlakový gradient „ „ „

‡

změny teploty a atmosférického tlaku srážková voda, vítr, obdělávání půdy příjem vody kořeny, kolísání hladiny podzemní vody

propustnost pórů

Difuse (90 %): ‡ ‡

v plynné i kapalné fázi difusní gradient - změna parciálních tlaků součástí p. vzduchu, zejména CO2 , O2

Aerace (provzdušnění) půdy ‡ ‡

komplikovaný jev daný celou řadou procesů významně ovlivňuje úrodnost půdy

Ukazatelé: ‡ ‡ ‡

vzdušné charakteristiky (kapacity) složení půdního vzduchu vzdušná permeabilita půdy

47

TEPELNÉ POMĚRY V PŮDĚ ‡

neustálá změna v prostoru i čase

Význam pro: ‡ ‡ ‡ ‡

rychlost a směr fyzikálních procesů výměnu hmoty a energie mezi půdou a atmosférou průběh chemických reakcí biologické procesy

Teplotní bilance půdy ‡

výsledek příjmů a ztrát tepla

Změny: ‡ ‡

‡

den - noc roční období

v průběhu roku se rozdíly vyrovnávají → výsledná bilance je nulová

Zdroje tepelné energie půdy Celkové krátkovlnné záření: ‡ ‡

přímé záření Slunce rozptýlené záření oblohy

Dlouhovlnné záření: ‡

přeměna krátkovlnného záření v atmosféře

Uvolněné teplo: ‡

rosa, jinovatka

48

Výdej tepelné energie půdy Dlouhovlnné vyzařování Země Evapotranspirace Turbulentní výměna s přízemní vrstvou atmosféry Odvádění tepla do hlubších vrstev

Faktory tepelných poměrů půdy Vnější: ‡

‡

úhel dopadu, nadmořská výška obsah vodních par

‡

„ „

‡

Vnitřní:

intenzita dopadajícího záření

adsorpční schopnosti povrchu „

‡

tepelná kapacita tepelná vodivost teplotní vodivost

barva a – kolmý dopad – menší plocha – větší ohřev b – úhel 45° - větší plocha – menší ohřev

Tepelná kapacita půdy Tepelná kapacita - C: = změna v obsahu tepla v jednotkovém objemu půdy při jednotkové změně teploty. Rozměr : [J.K-1.m-3]

Tepelná kapacita půdy: ‡

souhrn tepelné kapacity jednotlivých fází:

C = fsCs + fwCw + faCa kde f je objemový zlomek každé fáze (s – pevné, w – kapalné, a – plynné) V praxi:

C = 2,0 m + 2,5 o + 4,2 w kde

m – obsah minerální složky o – obsah organické hmoty w – obsah kapalné fáze

49

Tepelná kapacita půdy Objemové tepelné kapacity půdních složek při 10°C: Složka půdy

Hustota Mg . m-3

Tepelná kapacita C MJ . m-3 . K-1

Křemen Ost. minerály (průměr) Organická hmota Voda Vzduch

2,66 2,65

2,0 2,0

1,3 1,0 0,00125

2,5 4,2 0,00125

Tepelná vodivost půdy = přenos tepla v půdě

Závisí na: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

mineralogickém složení obsahu humusu vlhkosti zrnitosti struktuře

Tepelná vodivost půdy Příklady tepelných vodivostí:

Hmota

Tepelná vodivost (J.m-1.s-1.K-1 )

Písek .................................. Hlína .................................. Jíl ....................................... Voda ................................... Vzduch ............................... Křemen ............................. Org.hmota ...........................

1,3 0,38 0,34 0,42 rozhodující 0,02 pro půdu 4,9 0,35

50

Vliv vlhkosti na tepelnou vodivost půdy

Teplotní vodivost půdy = rychlost, s jakou probíhají změny teploty v půdě ‡ ‡

určuje hloubku, do jaké pronikne změna teploty na povrchu půdy dána poměrem tepelné vodivosti a tepelné kapacity

Záhřevnost půdy ‡

ovlivněna tepelnými vlastnostmi půdy

Závisí na: ‡

vlhkosti – snižuje záhřevnost „ „

‡

druhu půdy „ „ „

‡

suché půdy - rychlé zahřátí povrchové vrstvy zamokřené půdy - nejnižší záhřevnost písčité půdy - záhřevnější jílovité půdy - studené rašelinové půdy - obdoba jílovitých půd

půdním typu – CE, CC, RZ, RG > HN, LU, KA

51

Záhřevnost půdy Úloha skeletu: den

noc

Tepelný režim půdního profilu ‡ ‡

spojitý průběh – sinusoidní např. den - noc

Důsledek: ‡ ‡

zmírňování teplotních výkyvů s hloubkou zpožďování oproti ovzduší

Teplotní výkyvy v půdě Hloubka teplotních výkyvů: Denní výkyvy ...................... 40 - 100 cm Měsíční výkyvy ...................... 5 m Roční výkyvy ......................... 15 - 30 m

Podzim

Zpoždění teplotních výkyvů: Hloubka 80 cm 160 cm

Minima 32 dní 45 dní

Maxima 25 dní 35 dní

Jaro

Praktický důsledek: ‡ ‡

otužování rostlin na podzim rozvoj vegetace na jaře

52

Působení mrazu v půdě Účinky mrazu: ‡ ‡

příznivé - fyzikální vlastnosti půdy (struktura) nepříznivé - kořínky

Faktory: ‡ ‡

fyzikální vlastnosti vlhkost

Mrznutí vody v půdě - < 0°C: ‡ ‡

obsah solí vazba vody

Hloubka promrzání: ‡

0,4 - 0,5 m, max. 0,8 - 1,0 m

Termické režimy půd Kritéria klasifikace: ‡

ekologické požadavky rostlin a půdních organismů „ „ „

‡ ‡ ‡ ‡

0°C ........inaktivace biologické činnosti v půdě 0- 5°C ...zamezení růstu kořenů většiny rostlin 20-40°C ...klíčení semen tropických rostlin

denní a sezónní fluktuace teplot v různých hloubkách vliv sněhové pokrývky vliv hladiny podzemní vody a reliéfu vliv vegetace

Termické režimy půd (Dim, 1972) 1. Soustavně mrazový ‡

záporná teplota půdy, souvislý permafrost v podloží

2. Dlouhodobě mrazový ‡

souvislé teploty < 0°C po více než 5 měsíců v roce

3. Sezónně promrzající ‡ ‡

s dlouhým obdobím kladných teplot půda promrzá 1-5 měsíců

4. Teplý ‡

bez záporných teplot či jen na několik dní

5. Výhřevný ‡

půdní teploty neklesnou pod 10°C

53

Termické režimy ČR Typ 3. Sezónně promrzající ‡

rozvedl Bedrna

Termické režimy – Soil Taxonomy Průměrná roční Sezónní Termický teplota (°C) diference (°C) režim půdy 0 >T pergelický 8> T bez permafrostu, t v létě do 15°C kryický 8> T > 0 D ≥ 6 frigidní 8> T > 0 6 > D isofrigidní 15 > T ≥ 8 D ≥ 6 mezický 15 > T ≥ 8 6 > D isomezický 22 > T ≥ 15 D ≥ 6 termický 22 > T ≥ 15 6 > D isotermický T ≥ 22 D≥ 6 hypertermický T ≥ 22 6 > D isohypertermický

Vliv teploty na průběh reakcí v půdě Arrheniova rovnice:

k = A e - Ex/RT k = rychlostní konstanta A = konstanta vztažená k četnosti kolizí Ex = aktivační energie pro daný proces R = plynová konstanta T = absolutní teplota

54

Vliv teploty na sorpci v půdě Kinetika sorpce:

Statika sorpce:

Bilance záření během dne a noci

Rozsahy teploty půdy spojené s různými půdními procesy

55

PŮDNÍ ORGANICKÁ HMOTA = soubor všech neživých organických látek nacházejících se na povrchu půdy či v ní ‡ složitý výzkum - neustálé reakce mezi organickými látkami samotnými a mezi nimi a půdním minerálním podílem

Půdní humus: ‡

řada definic: „ totéž co půdní organická hmota „ odumřelé organické látky v různém stupni rozkladu a resyntézy, jejichž část je vázána na minerální podíl

Význam půdní organické hmoty ‡ ‡ ‡ ‡

‡

zásobárna energie, uhlíku a živin pro edafon i rostliny zadržování vody fyzikální vlastnosti půdy (struktura) chemické vlastnosti půdy: „ sorpce – zadržování živin aj. látek „ půdní reakce (organické kyseliny, ústojná schopnost) „ tvorba komplexů půdotvorné procesy

56

Hodnocení obsahu OH v půdě Obsah v humusovém horizontu (% hmotnosti) Obsah

% Corg

% humusu

< 0,6

<1

nízký

0,6 – 1,2

1-2

střední

1,2 – 1,7

2-3

vysoký

1,7 – 2,9

3-5

> 2,9

>5

velmi nízký

velmi vysoký

Metody stanovení: oxidace org. hmoty (na suché nebo mokré cestě) Přepočet humusu a Corg: Welteho koeficient 1,724 (=1/0,58)

Rozdělení půdní organické hmoty podle stupně přeměny Humusotvorný materiál: ‡

nerozložené odumřelé zbytky rostlin, živočichů a mikroorganismů

Nehumusové látky (meziprodukty) : ‡ ‡

meziprodukty rozkladu a syntézy mají stanovitelné chemické charakteristiky

Humusové látky – vlastní humus: ‡

konečné produkty humifikačních pochodů

Přeměny půdní organické hmoty Degradace: ‡ ‡

rozklad výchozího materiálu, částečná mineralizace tvorba monomerů

→ kondenzace meziproduktů rozkladu a syntézy → polymerace vytvořených kondenzátů či monomerů Změny v chemickém složení: ‡ ‡

zvyšuje se obsah C a snižuje obsah O snižuje se poměr C: N „ „

čerstvá org. hmota ~100-80 : 1 zhumifikovaná org. hmota ~10 : 1

57

Změny v chemickém složení v průběhu přeměn (% sušiny) Materiál

C

O

H

N

Celuloza

44

49

6,2

0,0

Rostliny

47

44

6,8

1,6

Dubové dřevo

50

42

6,0

1,3

Huminové kyseliny

57,6

32,5

5,1

4,8

Rašelina černá

62

30

5,2

2,1

Hnědé uhlí

69

24

5,6

0,9

Černé uhlí

83

10,5

5,1

1,2

Antracit

96

1,6

1,6

0,8

99,9

0,0

0,1

0,0

Grafit

Humusotvorný materiál ‡ ‡

především rostlinné zbytky slouží jako: „ zdroj pro půdní mikroorganismy „ primární materiál pro produkci specifických i nespecifických humusových látek

Rychlost rozkladu: ‡

závisí na chemickém složení (C/N) „ snazší rozklad: ‡ bílkoviny, celulosa „ pomalejší rozklad: ‡ lignin, lipidy, třísloviny

Humusotvorný materiál

58

Mineralizace = rozklad organické hmoty na výchozí anorganické složky

‡ ‡ ‡ ‡

podílejí se především obligátně aerobní mikroorganismy uvolňuje se CO2, H2O, N2, (NO2-, NO3-, NH3), S …. podléhá jí zpravidla 50-80 % organické hmoty především v lehkých půdách s převahou nekapilárních pórů

Mineralizace Význam mineralizace: ‡ ‡ ‡ ‡

uvolnění energie pro mikrobiální činnost uvolnění živin z organických vazeb (N, P) tvorba CO2 rozklad toxických látek

Typy mineralizace: ‡ ‡

primární – mineralizace nespecifických organických látek sekundární – mineralizace již humifikovaných složek

Ochrana půdní OH před mineralizací CO2 Nechráněný půdní C

Přeměna agregátů

C vázaný v mikroagregátech

CO2

Nechráněný půdní C Kvalita opadu

Adsorpce/desorpce CO2 C vázaný na prach a jíl

Fyzikálně chráněný půdní C

Kondenzace, komplexace CO2 Nehydrolyzovatelný půdní C

Biochemicky chráněný půdní C

59

Ulmifikace (rašelinění) ‡ ‡ ‡ ‡

probíhá v prostředí s nadbytečnou vlhkostí a nedostatkem O2 omezená chemická přeměna, neúplný rozklad hromadění energeticky bohatých látek slabá tvorba huminových látek, tvorba bitumenů

Typy rašeliny: ‡

‡

vrchovištní – méně HK, více hemicelulosy a bitumenů „ v oligotrofním prostředí slatinná – více HK, méně hemicelulosy a bitumenů „ v eutrofním prostředí

Karbonizace = odbourávání snadno rozložitelných součástí rostlinných zbytků; ve zbylých částech dochází ke koncentraci C v karbonizované formě ‡ hlavně u větších úlomků rostlinných těl (kořenů) ‡ vzniká tzv. humusové uhlí ‡ proces není příliš prozkoumán

Humifikace = tvorba složitějších a stabilnějších látek aromatické povahy ‡ nutné střídání aerobních a anaerobních podmínek ‡ přítomnost vícemocných kationtů (Ca2+), pH

Stadia humifikace: ‡

‡

počáteční – převládá rozklad „ biologický proces závěrečné – převládá syntéza „ převládají fyzikálně-chemické a chemické reakce

60

Ligninová teorie tvorby humusu LIGNIN Rozklad mikroorganismy

ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ JEDNOTKY

ZBYTEK demetylace oxidace kondenzace s N sloučen. (tj.proteiny)

Další rozklad mikroorganismy

HUMINOVÉ KYSELINY FULVOKYSELINY

Ligninová teorie tvorby humusu Důvody pro platnost LT: ‡

‡ ‡

Podobnost ligninu a huminových kyselin: „ omezená rozložitelnost většinou bakterií a hub „ částečná rozpustnost v alkoholu a pyridinu „ rozpustnost v louzích a srážení v kyselinách „ obsah -OCH3 „ kyselý charakter, výměna bází varem v louhu lignin přejde v HK obsahující metoxyl HK mají vlastnosti podobné oxidovanému ligninu

Námitky proti platnosti LT: ‡

Nejvíce HK je v obvykle půdách s nízkým vstupem ligninu

Polyfenolová teorie tvorby humusu (Stevenson, 1994) LIGNIN rozklad mikroorganismy

CELULOSA A JINÉ NELIGNINOVÉ SUBSTRÁTY

FENOLICKÉ ALDEHYDY A KYSELINY další rozklad mikroorganismy a oxidace na CO2

mikrobiální přeměna

POLYFENOLY fenoloxidáza CHINONY

aminosloučeniny HUMINOVÉ KYSELINY

aminosloučeniny FULVOKYSELINY

61

Tjurinovo schema rozdělení půdních organických látek Huminové látky: „ nerozpustné v alkáliích: humin (H); humusové uhlí (HU) „ rozpustné v alkáliích: ‡ ‡ ‡

huminové kyseliny (HK) hymatomelanové kyseliny (HY) fulvokyseliny (FK)

Nehuminové látky: „ jednodušší: aminokyseliny a jiné org. kyseliny, jednoduché cukry „ složitější: celulosa, lignin, proteiny, hemicelulosy Látky rozpustné v organických rozpouštědlech (lipofilní látky) „

pryskyřice, bitumeny, vosky (lipidy)

Huminové látky ‡ ‡ ‡ ‡

organické látky – polymery – vytvořené humifikací, specifické pro půdu skupiny látek s podobným chemickým složením a vlastnostmi nejedná se o chemicky definované sloučeniny struktura: „ aromatická složka – hydrofobní „ alifatická složka – hydrofilní

Nová teorie huminových látek: nejedná se o velké polymery, ale o asociace menších molekul

‡

Extrakce huminových látek z půdy ZEMINA alkalická extrakce NaOH, Na4P2O7 (pH ~12)

Neextrahovatelný podíl (H, HU)

Alkalický extrakt (HK, FK, HY) okyselení na pH 1-2

Sraženina (HK + HY)

Roztok (FK)

extrakce alkoholem Sraženina (HK) alkalická extrakce + elektrolyt Sraženina (šedé HK)

Alkoholový extrakt (HY)

Roztok (hnědé HK)

62

Fulvokyseliny = sloučeniny extrahovatelné zředěnými kyselinami a ty, které zůstanou v roztoku po vysrážení HK z alkalického extraktu ‡ aromatický charakter s převahou bočních alifatických řetězců ‡ snadno disociují, silně hydrofilní → ochranné koloidy ‡ působením elektrolytů se nesrážejí ‡ rozpustné ve vodě „ i jejich soli s Na+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ „ s Fe3+, Al3+ (R2O3) tvoří cheláty ‡ přispívají k rozkladu minerálního podílu půdy ‡ žlutá až oranžově hnědá barva ‡ KVK až 700 mmol(+)/100 g

Fulvokyseliny Charakteristické funkční skupiny: „ - COOH „ fenolické -OH, méně alkoholové „ metoxyl (-OCH3)

Huminové kyseliny = organické látky vysrážené kyselinami z alkalického extraktu ‡ výrazně aromatický charakter ‡ méně hydrofilní než FK ‡ rozpustné v alkáliích, nerozpustné ve vodě „ soli s Na+, K+, NH4+ dobře rozpustné „ soli s Ca2+ , Mg2+ , Fe3+ , Al3+ těžko rozpustné ‡ nejsou agresivní vůči minerálnímu podílu půdy ‡ žlutohnědá až černošedá barva ‡ KVK: 350 - 500 mmol(+)/100 g

63

Huminové kyseliny Charakteristické funkční skupiny: „ - COOH „ - OH (fenolické i alkoholové) „ s postupující polymerací ubývá metoxylových skupin „ ve větší míře C=O

Huminy = organické látky neextrahovatelné zředěnými louhy ‡ mají pevnou vazbu s minerálním podílem ‡ směsi látek rozličného charakteru

Význam v půdě: „ „ „

tmel při tvorbě půdní struktury tvorba organominerálního komplexu menší význam pro chemismus půdy

Hlavní rozdíly mezi huminovými látkami Fulvokyseliny Světležlutá

2000 45% 48%

Žlutohnědá

Huminové kyseliny Tmavěhnědá

Šedočerná

vzrůst intenzity barvy vzrůst intenzity polymerace vzrůst molekulární hmotnosti vzrůst obsahu uhlíku pokles obsahu kyslíku pokles výměnné kyselosti pokles stupně rozpustnosti

Huminy Černá

300 000 62% 30%

64

Hodnocení kvality humusu Stupeň polymerace: ‡ ‡ ‡

poměr HK:FK optické vlastnosti (VIS, IR) elektroforetické chování

Stupeň humifikace: ‡ ‡ ‡ ‡

poměr C:N densitometrická separace mikromorfologie frakcionace na látkové skupiny:

C HK + C FK + C H C tot

Hodnocení kvality humusu Barevná charakteristika: ‡ barevný kvocient: Q4/6 = A400/A600

ROZPUSTNÉ ORGANICKÉ LÁTKY = DOM (dissolved organic matter) ‡

nejmobilnější frakce organické hmoty

Význam DOM: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

potenciální zdroj (živin, energie) pro organismy transport látek v půdě koloběh C, N, P … stabilizace koloidů a agregátů zvětrávání a půdotvorné procesy indikátor stavu půdy

65

Zdroje a ztráty DOM Hlavní zdroje: ‡ ‡ ‡ ‡

rostlinné zbytky stabilní humus kořenové exudáty mikroorganismy

Vedlejší zdroje: ‡ ‡

organická hnojiva výměšky živočichů

Ztráty (propady): ‡ ‡ ‡ ‡

vymytí z půdy (~80%) mineralizace (dýchání) zabudování do biomasy adsorpce „ zejména v hlubších vrstvách „ Al a Fe (hydr)oxidy, jíly „ kompetice s anionty

Dynamika DOM v půdě

IMOM = imobilní organická hmota

Rhizosféra

F = tok D = difuse q = změna stavu

Faktory obsahu DOM v půdě ‡

množství a složení zdrojů DOM „ „

‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

druh porostu poměr C/N

biologická aktivita (zvláště houbové organismy) adsorpce a desorpce pH půdy složení půdního roztoku (SO42-, PO43-) teplota vlhkost, srážky, promývání půdy promrzání a tání obdělávání půdy, hnojení odlesnění / zalesnění

66

Složení DOM ‡

velmi proměnlivé !!!

‡

uhlovodíky jednodušší cukry fenolické sloučeniny aminokyseliny, alifatické a aromatické kyseliny (jablečná, citronová, šťavelová …) huminové látky (fulvokyseliny)

‡ ‡ ‡ ‡

Druhy DOM Charakteristika DOM I Velikost pórů (µm) < 0,2 Typ vody adsorpční, kapilární Sací tlak (KPa) < -1500 Transportní difuse mechanismus Metabolismus abiotický, exoenzymy Rychlost přeměny pomalá Vliv sucha slabý Běžný podíl (%) 30

DOM II 0,2-6 kapilární

DOM III >6 gravitační, kapilární -1500 až -50 -50 difuse > proudění > proudění difúze mikrobiální biotický (hetrotrof.) střední rychlá střední silný 50 20

Druhy DOM

WEOM = vodorozpustná část organické hmoty

67

Transport látek prostřednictvím DOM ‡

závisí na: „ podílu látky poutaném na DOM

Transport látek prostřednictvím DOM ‡

závisí na: „ podílu látky poutaném na DOM „ na pohyblivosti vzniklých komplexů či sloučenin

Vazby na DOM: „ „ „ „ „

iontová výměna protonace vodíkové můstky van der Waalsovy síly ligandová výměna

KOLOIDNÍ SYSTÉM PŮDY Koloid = částice o velikosti 1nm až 1 (2) µm Minerální koloidy v půdě: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

jílové minerály primární silikáty nerozpustné alumoferrifosfáty polymerní kyselina křemičitá hydratované (seskvi)oxidy Al, Fe, Mn

Organické koloidy: ‡ ‡ ‡

humusové látky a slizy bílkoviny lignin

68

Druhy koloidů podle způsobu disociace Elektronegativní (acidoidy): „ „ „

X - H ........ disociují H+ mají záporný náboj, adsorbují kationty v kyselém prostředí koagulují (vysrážení), v alkalickém peptizují převládají v půdách (jíly, HL, H2SiO3)

Elektropozitivní (bazoidy): „ „ „

X - OH ........ disociují OHmají kladný náboj, adsorbují anionty v alkalickém prostředí koagulují, v kyselém peptizují seskvioxidy (R2O3)

Amfoterní (amfolytoidy): „ „

X – O-H ........ disociují H+ nebo OHchování podle prostředí hydroxylované seskvioxidy

Druhy koloidů podle vztahu k vodě Hydrofobní: „

málo stabilní, snadno se srážejí

Hydrofilní: „

silně hydratované, stabilnější (FK, H2SiO3)

Ochranné koloidy: ‡

povrchová vrstva koloidních látek měnící přirozený charakter koloidu

Koloidní micely – humusové látky nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční)

+ + -O +

+ -COO-

nepohyblivá část kompenzační vrstvy

+

+ + + +

-COO-

jádro -COO-

-O-

+ +

+

+ + +

difusní část kompenzační vrstvy

+

69

Koloidní micely – jílové minerály nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční)

+

+

+

- - -+ + + - SiO - + + + - -+ + + + + + + 2

nepohyblivá část kompenzační vrstvy difusní část kompenzační vrstvy

Koloidní micely – seskvioxid Fe nabíjecí vrstva (konstituční, adsorpční)

-

- FeO

-

+

-

FeO+ FeO+Fe2O3 .nH2O FeO+ FeO+ FeO+

-

-

-

nepohyblivá část kompenzační vrstvy

-

-

- -

-

difusní část kompenzační vrstvy

Fe(OH)3 → (FeO)+ + H2O + OH-

Koloidní micely Průběh fázového potenciálu na Sternově dvojvrstvě

70

Elektrokinetický potenciál ξ-potenciál - vzniká odtržením difúzní části kompenzujících iontů v elektrické dvojvrstvě koloidní micely při pohybu ‡ ‡

vysoké hodnoty ξ → peptizace (sol) ξ=0 = isoelektrický bod (IB) → koagulace (gel)

ζ

Flokulační síla : Me+<Me2+<Me3+<Me4+

+ +++

++

Li+
c

Stabilita koloidních systémů koagulace SOL

GEL peptizace

Koloidní systém je stabilní ve stavu sol či koloidní roztok (stabilní koloidní systém → nestabilní půdní struktura) Stabilitu koloidů zvyšují: ‡ jednomocné kationty (hlavně Na+) ‡ nízká koncentrace půdního roztoku Stabilitu koloidů narušují: vícemocné kationty (Ca2+, Mg2+, Fe3+…) ‡ vysoká koncentrace půdního roztoku ‡

Význam půdních koloidů ‡

fyzikální vlastnosti půdy „ „

‡ ‡

vzlínání vody (elektrokapilarita) chemické vlastnosti půdy: „ „

‡

struktura soudržnost a přilnavost → obdělávání půdy

půdní reakce sorpce

půdotvorné procesy „

transport látek

Využití koloidních vlastností: ‡ zlepšení půdní struktury ‡ remediace půdy (elektrokinetické jevy) ‡ výživa rostlin

71

PŮDNÍ REAKCE = koncentrace (aktivita) kyselých iontů (H+)

Formy půdní reakce: ‡

‡

aktuální „ aktivní půdní reakce (pH) potenciální „ výměnná reakce (pH, mmol/100 g) „ hydrolytická reakce (mmol/100 g)

Aktivní půdní reakce = koncentrace (aktivita) kyselých iontů H+ (H3O+) ve vodném výluhu nebo suspenzi půdy PŮDNÍ ROZTOK K O L O I D ‡

K+ Mg2+ H+ H+ Ca2+ Ca2+

H+ H+ + H2O

EXTRAKT K O L O I D

K+ Mg2+ H+ H+ Ca2+ Ca2+

H+ H+ + H2O

stanovuje se pouze v jednotkách pH - pHH2O

Výměnná půdní reakce = schopnost půdy měnit reakci roztoků neutrálních solí „

0,2M KCl, 1M KCl, 0,02M CaCl2

PŮDNÍ ROZTOK K O L O I D ‡

K+ Mg2+ H+ H+ Ca2+ Ca2+

H+ H+ + n K+Cl-

EXTRAKT K O L O I D

K+ K+ K+ K+ K+ K+

+ kationty + Cl+ n H+Cl-

stanovuje se „ potenciometricky v jednotkách pH - pHKCl „ titračně – výměnná acidita - Va (mmol/100g)

72

Hydrolytická půdní reakce = schopnost půdy měnit reakci roztoků hydrolyticky štěpitelných solí „

K O L O I D ‡

octan sodný nebo vápenatý PŮDNÍ ROZTOK K+ Mg2+ H+ H+ H+ + n CH3COONa H+ Ca2+ Ca2+

EXTRAKT K O L O I D

Na+ Na+ Na+ Na+ Na+ Na+

+ octany + n CH3COOH

stanovuje se pouze titračně – hydrolytická acidita - Ha (mmol/100g)

Hodnocení půdní reakce Reakce

pHH2O

pHKCl

silně kyselá

< 4,9

< 4,5

kyselá slabě kyselá neutrální slabě alkalická

4,9 - 5,9 6,0 - 6,9 7,0 7,1 - 8,0

4,5 - 5,5 5,6 - 6,5 6,6 - 7,2 -

alkalická silně alkalická

8,1 - 9,4 > 9,4

> 7,2 -

Hodnocení půdní reakce Acidita

Va (mmol/100g)

Ha (mmol/100g)

velmi silná

> 1,14

> 1,37 1,37 - 0,92

silná

1,14 - 0,57

střední

0,56 - 0,40

0,91 - 0,63

mírná

0,39 - 0,23

0,62 - 0,29

slabá

< 0,23

0,28 - 0,17

velmi slabá

-

< 0,17

73

Příčiny kyselé půdní reakce ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

mateční hornina vyluhování půd sloučeniny síry a dusíku (atmosférická depozice) využití půdy, druh porostu tvorba CO2 organické látky „ „ „

‡ ‡

fulvokyseliny huminové kyseliny jednodušší organické kyseliny, aminokyseliny …

hnojení – fyziologicky kyselá hnojiva jílové minerály

Faktory reakce půdního roztoku Suchá depozice

Mokrá depozice

Biologická činnost - CO2

Organická hmota

H+ půdní roztok

Hydroxypolymery

Příjem a uvolnění organismy

Transportní procesy

Zvětrávání minerálů

Alkalita půd ‡

přítomnost solí – zejména karbonátů „ „ „ „ „

CaCO3, MgCO3 Na2CO3 Na2CO3 . 10 H2O (soda, natrit) Na2CO3 . H2O (thermonatrit) NaHCO3

‡

nasycenost sodíkem

‡

u nás málo

74

Význam půdní reakce ‡ ‡

fyzikální vlastnosti půdy - struktura chemické vlastnosti půdy: „ „ „

rozpustnost, mobilita a přijatelnost živin a rizikových prvků sorpce – KVK a nasycenost sorpčního komplexu mobilita chelátů

‡

biologické vlastnosti půdy

‡

růst a vývoj rostlin

„

„ „

‡

složení a aktivita mikroorganismů přímé působení – citlivost nepřímé působení – rozpustnost živin a rizikových prvků

půdotvorné procesy „ „

zvětrávání minerálů transport a ukládání látek

Význam půdní reakce

Ústojná (pufrační) schopnost půd = schopnost půdy bránit se změnám půdní reakce

Ústojné systémy v půdě ‡

humusové látky „ „

‡

jílové minerály, gely kyseliny kremičité, gely seskvioxidů „ „

‡ ‡ ‡

výměna iontů reakce funkčních skupin (-COOH, -OH) výměna iontů reakce okrajových –OH skupin

karbonáty a H2CO3 fosforečnany ionty Al

75

Ústojná (pufrační) schopnost půd

Úprava půdní reakce Úprava kyselé reakce: ‡

vápnění „ „

‡ ‡

sycení půdy Ca2+ (Mg2+) vápenec, dolomit, pálené vápno

pro podorničí možno použít sádrovec vhodné hnojení, druh porostu

Úprava alkalické reakce: ‡ ‡ ‡ ‡

sádrovec síra, kyselina sírová sírany Al, Fe polysulfid Ca

PŮDNÍ ROZTOK = vodná kapalná fáze půdy ‡ ‡

otevřený systém velmi proměnlivé složení

Složení: ‡

‡ ‡ ‡ ‡

rozpuštěné soli „ Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+ „ HCO3-, Cl-, SO42-, NO3DOM rozpustné komplexy, cheláty koloidní částice rozpuštěné plyny (O2, CO2)

76

Anorganické složky půdního roztoku Kategorie Kationty

Anionty

Hlavní složky Vedlejší složky (10-4-10-2 mol/l) (10-6-10-4 mol/l) Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, + + K , Na Zn2+, Cu2+, NH4+, Al3+ HCO3 , Cl , H2PO4-, SO42-, NO3F-, HS-

Neutrální Si(OH)40

Ostatní (<10-6 mol/l) Cr3+, Ni2+, Cd2+, Pb2+ CrO42-, HMoO4+

B(OH)30

Střední koncentrace běžné v půdách.

Organické složky půdního roztoku Zdroj Přírodní

Hlavní složky (10-5-10-3 mol/l) Karboxylové kyseliny, aminokyseliny, jednoduché cukry

Antropogenní

Vedlejší složky (<10-5 mol/l) Uhlovodíky, fenoly, proteiny, alkoholy, sulfhydryly Herbicidy, fungicidy, insekticidy, PCB, PAH, ropné uhlovodíky, rozpouštědla, surfaktanty

Střední koncentrace běžné v půdách.

Faktory složení půdního roztoku ‡ ‡

vlhkost půdy zdroje „ „

‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

přirozené antropogenní

pH půdy rozpouštění / precipitace sorpce / desorpce vymývání / vzlínání podzemní a povrchový odtok / přítok příjem a vylučování rostlinami biologická aktivita výpar / kondenzace

77

Význam půdního roztoku ‡ ‡ ‡

pohyb látek průběh chemických reakcí přístupnost látek pro organismy „ „

‡ ‡

živiny vzduch

prostředí pro organismy půdotvorné procesy

Transport látek na rozhraní kapalné a pevné fáze 1 – transport půdním roztokem 2 – transport povrchovým kapalným filmem 3 – transport makropórem 4 – difuse na povrchu částic 5 – difuse okludovaného sorbátu v mikropóru 6 – difuse pevnou částicí

Kapalina

1

Film

Pevná fáze

2 3 6

4

5

PŮDNÍ SORPCE = zvýšení koncentrace látky na fázovém rozhraní ve srovnání s okolním prostředím ‡ ‡

poutání látek v půdě důsledek nevyvážených sil na povrchu sorbentu

Druhy: „ „

adsorpce absorpce

Účastníci děje: „ „ „

sorbent – látka sorbující (půdní částice) sorbát – látka poutaná solvent – rozpouštědlo (půdní roztok)

78

Mechanismy sorpce v půdě Mechanická sorpce: ‡ ‡

mechanické zadržení v pórech a dutinách hrubě dispersní částice, agregáty, sraženiny, molekuly

Fyzikální sorpce: ‡ ‡

povrchové jevy na fázovém rozhraní především molekuly

Fyzikálně chemická (výměnná) sorpce: ‡ ‡ ‡

iontová výměna mezi povrchem částic a roztokem nejvýznamnější ionty, v našich půdách hlavně kationty

Mechanismy sorpce v půdě Chemická sorpce: ‡ ‡

tvorba málo rozpustných nebo nerozpustných sloučenin (precipitace) řízena produktem rozpustnosti

Biologická sorpce: ‡ ‡ ‡

poutání v tělech rostlin a mikroorganismů výrazně selektivní zejména živiny (NO3-)

Výměnná sorpce v půdě Sorpční půdní komplex: ‡

‡

soubor půdních složek schopných poutat kationty: „ organické složky - humus „ minerální složky – jílové minerály nese záporný náboj: „ permanentní (konstituční) – isomorfní substituce v jílových minerálech „ variabilní – disociace hydroxylových a karboxylových skupin na minerálech i org. hmotě - závisí na pH: -OH ↔ -O- + H+

79

Výměnná sorpce v půdě Kationtová výměnná kapacita (KVK, CEC, T): „ „

množství kationtů, které je půda schopna poutat udává se v mmol(+).100g-1, cmol(+).kg-1, mmol(+).kg-1

‡

potenciální – při pH 7 nebo vyšším

‡

efektivní – při skutečném pH půdy

Sorpční půdní komplex T = KVK = kationtová výměnná kapacita S = suma bazických kationtů H+ = výměnný vodík (Ha) V = stupeň nasycení sorpčního komplexu bazickými kationty

S

T = KVK = S + H+ (mmol(+).100g-1)

NH4+ H+ Mg2+ - - Al3+ Na+ - T - H+ K+ - - -H+ Ca2+ K+

H+

V = S/T . 100 (%)

Kationtová výměnná kapacita Hodnocení (ČR): 8 - 12 mmol(+).100g-1 13 - 24 mmol(+).100g-1 25 - 30 mmol(+).100g-1 > 30 mmol(+).100g-1

nízká až velmi nízká střední vysoká velmi vysoká

Jednotlivé složky půdy (mmol.100g-1) Kaolinit Illit Vermikulit Montmorillonit Chlorit

3 - 12 20 - 40 120 - 150 70 - 110 30 - 50

HK FK

350 - 500 400 - 700

80

Nasycenost sorpčního komplexu Hodnocení: Sorpční komplex plně nasycený nasycený slabě nasycený nenasycený extrémně nenasycený

V (%) 100 – 90 90 – 75 75 – 50 50 – 30 < 30

Kationtová výměnná kapacita

Faktory výměny kationtů ‡

‡

‡ ‡ ‡ ‡

oxidační číslo Me+ < Me2+ < Me3+ < Me4+ postavení v lyotropní řadě Li+ < Na+ < K+ < NH4+ < Rb+< Cs+ < H+ Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+ iontový poloměr koncentrace a aktivita v roztoku charakter sorbentu pořadí

81

Selektivita sorpce (specifická sorpce) ‡ ‡

při biologické sorpci při sorpci ze směsi

Příčiny (v případě sorpce iontů): ‡ ‡

viz faktory sorpce Cl- < NO3specifická vazebná místa

Význam: „ „ „ „

výživa rostlin (hnojení) zasolení půdy transport kontaminace půdy

Fixace kationtů = trvalé zadržení iontu v dutině ‡ ‡

podmíněno nábojem v tetraedrové vrstvě závisí na iontovém poloměru „ týká se K+, NH4+

Fixace K+: ‡ ‡

úbytek rozpustné, přístupné formy v půdách až 1,5- 4,0 mmol.100g-1

Fixace NH4+: ‡ ‡ ‡

za vlhka menší až 19 mg NH3 /kg půdy NH4+ chráněn před nitrifikací

Na+ K+ NH4+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ Fe3+ Al3+

r= 0,14 nm

0,098 nm 0,133 nm 0,143 nm 0,104 nm 0,074 nm 0,080 nm 0,067 nm 0,057 nm

Sorpce aniontů ‡

chemosorpce „ většinou „ fosforečnany, sírany, uhličitany…

‡

biologická sorpce „ dusičnany, fosforečnany

‡

výměnná sorpce „ málo

82

Sorpce molekul a slabých elektrolytů ‡

zpravidla slabé síly, složitější děje

Faktory: ‡

kvalita sorbentu

‡

kvalita sorbátu

„

„ „

‡ ‡ ‡ ‡

povrch, náboj velikost náboj, povrch

koncentrace sorbátu afinita doba interakce teplota

Způsoby studia sorpce molekul a slabých elektrolytů Kinetika sorpce: ‡ ‡

množství sorbátu (rychlost sorpce) v závislosti na čase zjišťuje se doba pro dosažení rovnováhy (popř. rychlost)

Statika sorpce: ‡ ‡

sorpce po dosažení rovnováhy, při konstantní teplotě adsorpční isotermy „

závislost adsorbovaného množství na rovnovážné koncentraci

„

Freundlichova isoterma a = k.c1/N Langmuirova isoterma

„

a = amax ⋅

k ⋅c 1+ k ⋅ c

c 1 c = + a k ⋅ amax amax

Freundlichova isoterma a = k.c1/N

83

Langmuirova isoterma c 1 c = + a k ⋅ amax amax

REDOX PROCESY V PŮDĚ D.Red + E.H2O

A.Ox + B.H+ + C.e-

Ox – oxidovaná složka, Red – redukovaná složka A, B, C, D – stechiometrické koeficienty Př.:

4Fe(3+)(OH)3 + 12H+ + 4e- → 4Fe2+ + 12H2O CH2O + H2O → CO2 + 4H+ + 4e-

Rovnovážná konstanta: K = [(Red)D.(H2O)E]/[(Ox)A.(H+)B.(e-)C] log K = D.log(Red) – A.log(Ox) – B.log(H+) – C.log(e-) Pro B = C = 1, D = A, (Red) = (Ox) platí: log K = pe + pH

Redox procesy v půdě Vyjádření oxidačně redukčního stavu půdy: Záporný logaritmus aktivity elektronů: ƒ

pe = - log(e-)

rozsah -6 až +12

Redox potenciál:

Eh [V, mV]

Pro B = C = 1, D = A, (Red) = (Ox) platí: Eh [V] = 0,059 pe Popis celého systému:

pe + pH

Možné hodnoty v půdě: 0 (1 atm H2) – 20,78 (1 atm O2)

84

Redox procesy v půdě Eh – pH diagram

Redox procesy v půdě pe – pH diagram

Redox systémy v půdě Silně oxidační: ‡ ‡ ‡

nízká aktivita ekladné a vysoké Eh i pe při dobrém provzdušnění půdy

Silně redukční: ‡ ‡ ‡

vysoká aktivita ezáporné a nízké Eh i pe v dlouhodobě zamokřené půdě

Oxidace musí být v rovnováze s redukcí !!!

85

Redox potenciál Eh 450 až 800 mV: ‡ ‡ ‡

dostatek O2 aktivní oxidace, nitrifikace rychlý rozklad organické hmoty

Eh 0 až 450 mV: ‡ ‡ ‡

hypoxie, nedostatek O2 redukce Fe(OH)3, dusičnanů velmi pomalý rozklad organické hmoty

Eh -300 až 0 mV: ‡ ‡ ‡

anoxie, naprostý nedostatek O2 rozklad organické hmoty anaerobní fermentací redukce síranů, tvorba H2 a CH4

Redox systémy v půdě

Oxidační činidla v půdě Aerobní podmínky: „

O2

Anaerobní podmínky: ‡ ‡

plynný O2 vyčerpán při Eh 380-320 mV jiné akceptory elektronů: „ NO3„ Fe3+ „ Mn4+ „ S6+

86

Redox systémy

Oxidované a redukované formy prvků Prvek

Normální forma v oxidovaných půdách

Redukované formy v zamokřených půdách CH4, C2H4, CH3CH2OH

Uhlík

CO2, C6H12O6

Dusík

NO3-

N2, NH4+

Síra

SO42-

H2S, S2-

Železo

Fe3+(oxidy)

Fe2+

Mangan

Mn4+(oxidy)

Mn2+

Oxidované a redukované formy prvků Oxidovaná forma O2 NO3-

Redukovaná forma H2O

Eh (mV), při němž dochází ke změně formy 380 až 320

Mn4+

N2 Mn2+

280 až 220 220 až 180

Fe3+

Fe2+

110 až 80

SO42-

S2-

-140 až -170

CO2

CH4

-200 až -280

87

Stabilitní diagramy - Mn

Stabilitní diagramy - As

Vliv redox podmínek na rozpustnost Redox senzitivní prvek N S

Formy málo rozpustné NH4+ S0,

S2-

Formy vysoce rozpustné NO3SO42-

Fe

Fe3+

Fe2+

Mn

Mn3+, Mn4+

Mn2+, MnO4-

Cr

Cr3+

CrO42-, Cr3+ komplexy

88

CHEMICKÁ ROVNOVÁHA V PŮDĚ Význam: ‡ ‡ ‡ ‡

speciace prvků mobilita a přijatelnost průběh chemických reakcí rozdělení prvků mezi jednotlivé fáze půdy

Hlavní faktory: ‡

složení a charakter pevné fáze půdy „ „

‡ ‡ ‡

minerální podíl organická hmota (včetně potenciální DOM)

složení půdního roztoku pH půdy redox potenciál

Chemická rovnováha v půdě Složitost: ‡ ‡ ‡

interakce mezi fázemi půdy půdní roztok je složitá směs látek souběžně mohou probíhat různé procesy „ „ „

‡ ‡ ‡ ‡

adsorpce/desorpce (různé mechanismy) rozpouštění/precipitace tvorba komplexů

různé kombinace sloučenin vliv půdní organické hmoty transport látek organismy

Důsledek: ‡

nelze jednoduše aplikovat geochemické modely rovnováhy

Chemická rovnováha v půdě Produkty rozpustnosti: Uhličitany: KSO = (Me2+)(CO32-) -log KSO: Pb 13,1 Cd 11,7 Fe 10,7 Mn 10,4 Zn 10,2 Ca 8,42

Sulfidy: KSO = (Me2+)(S2-) -log KSO: Hg 52,1 Cu 36,1 Pb 27,5 Cd 27,0 Zn 24,7 Fe 18,1 Mn 13,5

89

Chemická rovnováha v půdě Produkty rozpustnosti: Oxidy a hydroxidy: KSO = (Men+)(OH-)n -log KSO: Fe3+ 39,0 Pb2+ 3+ Al Fe2+ 31,2 Hg2+ 25,4 Cd2+ Cu2+ 20,3 Mn2+ Zn2+ 16,9 Mg2+

15,3 15,2 14,4 12,8 11,2

Rozpustnost fosforečnanů Ca, Fe a Al

log H2PO4- nebo HPO42-

Chemická rovnováha v půdě

pH

Komplexy Fe3+ v rovnováze s půdním Fe

log aktivity

Chemická rovnováha v půdě

pH

90

Chemická rovnováha v půdě

molární podíl EDTA

Molární podíl specií EDTA v půdě za přítomnosti Zn2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+ a H+

pH

Chemická rovnováha v půdě Iontová spojení Hydrolýza vícemocných iontů Plyn - voda Iontová výměna Sorpce Minerál - roztok Krystalizace minerálů µs

s

min

h

dny

měsíce

roky

tisíce let

Časový rozsah

PŮDNÍ ORGANISMY = živá složka půdy ‡ ‡

živočišná rostlinná

Edafon: ‡ ‡

soubor organismů přítomných v půdě celými těly migrace, rychlejší množení (mikroorganismy) → dynamičtější skupina

Živé orgány vyšších rostlin: ‡

různorodý materiál → doplňování humusotvorného materiálu

91

Třídění edafonu – podle R/Ž říše Fytoedafon (flóra): ‡

řasy, bakterie, houby, mikromycety, aktinomycety

Zooedafon (fauna) ‡

savci, červi, prvoci, měkkýši

Třídění edafonu – podle velikosti Makroedafon: ‡

krtci, hraboši, křečci

Mesoedafon ‡ ‡

80 - 0,2 mm červi, měkkýši, členovci

Mikroedafon ‡ ‡

< 0,2 mm bakterie, prvoci, sinice, řasy, aktinomycety, …

Třídění edafonu – podle velikosti

92

Třídění edafonu – mesoedafon

Zastoupení organismů v orné půdě (Russel, 1973) Skupina

Čerstvá hmota (t/ha)

Bakterie

6,3

Houby

3,1

Prvoci

0,3

Mesoedafon (mimo háďátka)

1,8

Makroedafon (+ háďátka)

1,0

Celkem

12,5

Třídění edafonu - podle způsobu života Euedafon ‡

všechna stadia v půdě (žížala)

Protedafon ‡

jen některá stadia (chroust)

Hemiedafon ‡

může žít i mimo půdu (chvostoskok)

Pseudedafon ‡

v půdě se jen ukrývají

Tychedafon ‡

v půdě jen náhodně (např. po záplavách)

93

Třídění edafonu - podle výživy Autotrofní „

schopní fotosyntézy

Heterotrofní ‡ ‡ ‡

„ zdrojem energie je rozklad organické hmoty saprofyti – rozklad odumřelé hmoty paraziti – výživa na úkor hostitele symbionti – vzájemný prospěch s hostitelem (Rhizobium)

Třídění edafonu - podle rozkládaného materiálu Fytofágové ‡

živá rostlinná těla

Zoofágové ‡

živá živočišná těla

Nekrofágové ‡

odumřelá těla živočichů

Saprofágové ‡

rozkládající se ústrojné látky

Třídění edafonu - podle fyziologických skupin Koloběh dusíku ‡

‡

‡

‡

amonifikační „ Proteus, Bacterium, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium, Aspergillus, Trichoderma nitrifikační „ Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrobacter denitrifikační „ Bacillus, Streptomyces, Paracoccus, Pseudomonas, mikromycety diasotrofní (fixační) „ Clostridium, Azotobacter, Azothomonas, Rhizobium, Bradyrhizobium

94

Třídění edafonu - podle fyziologických skupin Koloběh uhlíku ‡

‡

‡

celulolytické „ Clostridium omelianski, Cytophaga, Cellvibrio, aktinomycety, mikromycety amylolytické „ Clostridium, Bacillus, Pseudomonas, Aspergillus, Streptomyces pektinolytické „ Clostridium, Bacillus

Koloběh síry ‡ ‡

sulfurikační - Thiobacillus desulfurikační - Desulfovibrio

Funkce edafonu Rozkladná ‡

‡

‡

makroedafon „ transport organické hmoty, rozmělnění mesoedafon „ zvětšení povrchu mikroedafon „ vlastní rozklad

Syntetická ‡ ‡

autotrofní organismy heterotrofní organismy

Chemické složení koprolitů (Russel, 1973) Složka výměnný Ca výměnný Mg výměnný K přístupný P celkový N N-NO3celkový C pHH2O

Jednotka mg.kg-1 mg.kg-1 mg.kg-1 mg.kg-1 % mg.kg-1 %

Zemina 1990 162 32 9 0,246 4,7 3,35 6,4

Koprolity 2 790 492 358 67 0,358 21,9 5,17 7,0

95

Význam edafonu ‡

‡ ‡

‡ ‡

přeměna látek (včetně cizorodých) „ rozklad a syntéza „ oxidace a redukce přeměna energie chemismus půdy „ tvorba reaktivních látek „ ovlivňování reakcí (enzymy) „ půdní reakce „ sorpce (biologická) „ redox fyzikální vlastnosti půdy „ struktura transport a koloběh látek

Význam edafonu

Význam rozkladných procesů v biogeochemickém koloběhu Atmosféra

N2, N2O, NH3, H2S

CO2

Biosféra

Rostliny Rostlinný opad

Pedosféra

Ionty živin (např. NH4+, NO3-, SO42-, PO43-)

Půdní humus

Hydrosféra

Podzemní voda

96

Rychlost rozkladu ‡ ‡ ‡

dny - kořenové vlášení roky - silné kořeny desetiletí - dřevo

Omezení rozkladu: nízké teploty ‡ zatopení vodou ‡ nízké pH ‡

Roční míra rozkladu: ‡ borovice – severské (horské) podnebí –2% ‡ borovice – mírné klima – 25 % ‡ javor – mírné klima – 50 % ‡ tropický deštný prales – 400 %

Povrchový rozklad ‡ v průměru 5x pomalejší než podpovrchový.

Některé konečné produkty rozkladu v půdě Produkt Tvorba

Využití

Pozn.

fotosyntéza

skleníkový plyn

CO2

aerobní rozklad OH heterotrof. organismy

CH4

anaerobní rozklad OH substrát metanotrof. metanogeny bakterií

stabilní za nepřít. O2, skleník. plyn

NH3

amonifikace

živina

snadná oxidace na NO3-

NO3-

nitrifikace

živina, redukce

vliv na kvalitu vody

N2O

nitrifikace, AN rozklad mikroorganismy

SO42-

aerobní rozklad OH

živina, redukce

H2S

anaerobní rozklad, redukce SO42-

substrát pro mikroorganismy

vliv na ozón

vliv na kvalitu vody

Faktory ovlivňující složení a činnost edafonu ‡

složení půdy „ „

‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

minerální složení, zrnitost organická hmota

vlhkost provzdušnění půdní reakce redox potenciál sorpce v půdě teplota rostliny kontaminace půdy

97

Nároky mikroorganismů na pH prostředí 10

tolerance k alkalitě

Aktinomycety

většina bakterií

7

většina hub

Bakterie oxidující S (Thiobacillus)

pH půdy

tolerance k aciditě

2

Půdní enzymy Vnitrobuněčné: ‡ ‡ ‡

živé buňky dormantní buňky buněčný odpad

Mimobuněčné: ‡ ‡

imobilizované enzymy volné enzymy

RHIZOSFÉRA = tenká vrstva půdy obklopující kořeny rostlin Rozdíly od volné půdy: ‡ ‡

chemické složení obsah a složení organické hmoty „

‡ ‡ ‡

nižší pH, nižší Eh zvětrávání biologická činnost „

‡

struktura půdy

vyšší obsah CO2

Působení kořenů: ‡ ‡ ‡ ‡

příjem a výdej vody dýchání exudace organických látek příjem a vylučování anorganických látek „ „

živiny toxické látky

dynamika

98

Rhizosféra

SP

Rhizosféra

Možnosti ovlivnění rhizosféry Živiny N, P, S K, Ca, Mg mikroživiny

Přijatelnost živin

Přídavky Bakterie/houby Mykorrhiza

Kyseliny Vápnění Organická hmota Syntetické cheláty

Půdní chemismus Exudáty

pH, redox Humus

Protony, org. kyseliny Phytosiderofory Enzymy

Přístupnost a příjem prvků

99

VZNIK A VÝVOJ PŮDY klimatický faktor

biologický faktor

člověk

voda

půdotvorný

mateční zvětrávání hornina

půdotvorný proces substrát zvětrávání

půda

Podmínky půdotvorného procesu: - čas - reliéf

PŮDOTVORNÉ PROCESY Obecné mikroprocesy: ‡ ‡

nespecifické základní procesy v půdě „ např. rozpouštění, sorpce, vymývání … lze je klasifikovat jako: „ nárůst, přidání (1) „ ztráta (2) „ přeměna, transformace (3) „ transport, translokace (4)

Speciální procesy: ‡

kombinace půdních mikroprocesů vedoucí ke vzniku určitých horizontů nebo znaků v půdě

Makroprocesy: ‡

komplexy speciálních procesů vedoucí k vývoji skupin půdních typů

Procesy přemístění látek mezi půdou a okolím Eroze (2): ‡ ‡

„ odstranění látek z povrchu půdy vodní eroze větrná eroze

Kumulace (1): „

přidávání minerálních částic na povrch půdy

Sedimentace (1) Bioakumulace (1): „

homadění organické hmoty v půdě

100

Procesy změny organizace půdní hmoty Tvorba struktury (3): ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

„ vznik pedů biogenní kryogenní hydrogenní - objemové změny chemogenní technogenní

Procesy mísení půdního materiálu Pedoturbace (4): ‡ ‡ ‡ ‡

„ mechanické mísení půdy bioturbace – biologická činnost, polomy vertické procesy (hydroturbace, argilipedoturbace) – objemové změny jílu technoturbace – zpracování (kultivace) půdy kryoturbace - mráz

Kryoturbace

101

Procesy přeměny organické hmoty Tvorba nadložního humusu (3): ‡

mor, moder, mull

Humifikace (3): „

tvorba humusu

Mineralizace (3): „

rozklad organické hmoty

Paludizace (rašelinění) (3): „

hromadění org. hmoty a přeměna na rašelinu

Melanizace (1, 4): „

tmavnutí půdního materiálu příměsí organických látek

Procesy přeměny minerální hmoty Zvětrávání (3): ‡

„ rozklad a přeměna půdních minerálů tvorba jílu

Hnědnutí (braunifikace, rubifikace) (3): „ „

uvolňování Fe z primárních minerálů hydratací a hydrolýzou a jeho disperze v půdě kyselé prostředí, nepřítomnost CaCO3

Andosolizace (3): „ „

uvolňování Al z vulkanických popelů kyselé podmínky, omezený rozklad OH

Procesy transportu látek z určité části půdního profilu Eluviace (2, 4): „

ochuzení určité části půdního profilu (obecně)

Vyluhování (2, 4): ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

„ vymývání látek desalinizace – rozpustné soli debazifikace (acidifikace) – bazické kationty dekalcifikace – CaCO3 dealkalizace – Na+ cheluviace – cheláty OL a seskvioxidů

102

Procesy transportu látek do určité části půdního profilu Iluviace (1, 4): „

obohacení určité části půdního profilu (obecně)

Akumulace (1, 4): ‡ ‡ ‡

„ hromadění látek v určité části profilu salinizace – rozpustné soli (zasolování) kalcifikace – CaCO3 alkalizace – výměnný Na+

Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Illimerizace (lesivace, lesiváž) (3, 4): „ „ „ „

přesun koloidů jílových minerálů (bez jejich destrukce) spolu s minerály železa půdním profilem zahrnuje eluviaci a iluviaci slabě kyselá reakce, nedostatek vícemocných kationtů vede ke vzniku obohaceného luvického (argilického) horizontu

Závislost ξ potenciálu koloidů na koncentraci kompenzujících iontů ξ - c křivky ζ IB = isoelektrický bod → koagulace (x peptizace)

0

IB

IB c

103

Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Soloncování (3, 4): „ „ „ „ „

přesun koloidů jílových minerálů (bez jejich destrukce) spolu s minerály železa půdním profilem zahrnuje eluviaci a iluviaci alkalická reakce, nasycenost Na+ obdoba illimerizace vede ke vzniku obohaceného natrického horizontu

Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Podzolizace (silikace) (3, 4): „ „ „ „ „ „

uvolnění a přesun Al a Fe (seskvioxidů) spolu (?) s organickými látkami (FK) půdním profilem zahrnuje cheluviaci relativní zvýšení obsahu Si ve svrchní části profilu silně kyselá reakce (pod jehličnatými porosty) lehké půdy, výrazné promývání vede ke vzniku ochuzeného a obohaceného spodického horizontu

Komplexní procesy transportu látek půdním profilem Lateritizace (desilikace) (3, 4): téměř úplné zvětrání primárních minerálů chemická migrace kyseliny křemičité půdním profilem „ relativní zvýšení obsahu seskvioxidů Al a Fe ve svrchní části profilu „ v teplých oblastech (tropy, subtropy) „ střídání sucha a vlhka „ obvykle spojená s těmito procesy: feralitizace – zvýšení obsahu Fe a Al přeměnou minerálů nebo přítokem feritizace– zvýšení obsahu Fe alitizace– zvýšení obsahu Al „ „

‡ ‡ ‡

104

Procesy zpevňování půdní hmoty Pedokompakce (utužení, zhutnění) (3): „

přirozené nebo technogenní

Pedocementace (3, 1): vysrážení minerálů nebo stmelení půdních částic vznik ztvrdlých útvarů: krusty – kalcit, sádrovec ortštejn – železitý nebo organický tmel, podzolizace fragipan, duripan – SiO2 placikový horizont – amorfní koloidy plintit (laterit) – Fe, Mn, lateritizace „ „

‡ ‡ ‡ ‡ ‡

Hydromorfní (oxidačně redukční) procesy Oglejení (3, 4): „ „

střídavá redukce a oxidace Fe aj. složek v důsledku povrchového zamokření vede k mramorování půdy

Glejový proces (3, 4): „ „

redukce Fe aj. složek v anaerobních podmínkách pod hladinou podzemní vody modravé až zelenavé zbarvení půdní hmoty

Intenzita transportních procesů Vymývání rozpustných solí ↓ Vymývání bazických kationtů ↓ Dekalcifikace ↓ Transport jílu (illimerizace) ↓ Rozpad minerálního podílu (podzolizace, lateritizace)

105

Základní přístupy ke klasifikaci Geografický „

zonální x azonální půdy

Genetický „

podle vývoje (geneze) půd

Morfologický, analytický „

podle zjistitelných a změřitelných vlastností

KLASIFIKACE PŮDY

Základní přístupy ke klasifikaci půd Geografický „

zonální x azonální půdy

106

Hlavní světové systémy Ruský a sovětský „

s geneticko - geografickými prvky (Dokučajev)

Francouzský (Référentiel pédologique) „ „

původně velmi hierarchický (Duchaufour) zahrnuje všechny půdy světa

Americký (Soil Taxonomy) „ „ „

důsledně rozpracovaná diagnostika zcela nová nomenklatura obtížný převod do ostatních systémů

FAO → WRB (World Reference Base) „

referenční klasifikace (IUSS/FAO/ISRIC 1998)

Vývoj klasifikace půd u nás Geneticko agronomická klasifikace „ „ „

60. léta Komplexní průzkum zemědělských půd odděleně se vyvíjela klasifikace lesních půd

Morfogenetický klasifikační systém půd „

1987

Taxonomický klasifikační systém půd ČR „

Prof. RNDr. Jan Němeček, DrSc., a kol., 2001

Taxonomické kategorie TKSP Referenční třídy půd (-sol) „

skupiny půd podle hlavních rysů jejich vývoje

Půdní typy (-zem) „

hlavní půdní jednotky dané výskytem a sledem diagnostických horizontů

Půdní subtypy „

představují výrazné modifikace půdních typů

Variety, subvariety „ „

znaky a horizonty do hloubky 20-25 cm slabý hydromorfismus, trofismus

Ekologické, degradační a akumulační fáze Substrátové formy

107

Objekt klasifikace Půdní sonda

→ Půdní profil

Půdní horizonty „

Horizont Ap

„

Horizont Bv

„

Půdní typ: Kambizem

Horizont C

Přirozené půdní jednotky jsou trojrozměrné (pedony)

Pedon a polypedon

polypedony hornina pedon

DIAGNOSTICKÉ HORIZONTY O – nadložní organické horizonty (u lesních p.) A – humusové (povrchové) horizonty E – ochuzené (eluviální) horizonty B – metamorfické horizonty, nebo obohacené (iluviální) horizonty C – půdotvorný substrát R – mateční hornina (D – podložní hornina)

108

Organické horizonty „

min. 20-30 %(hm.) OL

Horizonty nadložního humusu lesních půd a) Anhydrogenní ‡

‡

‡

horizont opadanky - L „ málo rozložený horizont drti (fermentační) - F „ částečně rozložený horizont měli (humifikační) - H „ silně rozložený, nerozeznatelná struktura pletiv

L+F+H=O

Organické horizonty Horizonty nadložního humusu lesních půd b) Hydrogenní ‡

‡

‡

hydrogenní horizont fibrický - Of „ málo rozložený hydrogenní horizont mesický - Om „ částečně rozložený hydrogenní horizont humusový - Oh „ silně rozložený, nerozeznatelná struktura pletiv

Organické horizonty Rašelinné horizonty – T ‡

‡

‡

‡

„ u OR hlubší než 50 cm (ORt 10 cm, ost. 25-30 cm) fibrický horizont - Tf „ min. 2/3 nerozložené mesický horizont - Tm „ 1/3-2/3 rozloženy saprický horizont - Ts „ méně než 1/3 nerozložená humolitový horizont - Th „ přimísení minerálních částic

109

Organominerální povrchové horizonty (epipedony) „

minerální horizonty s obsahem OL do 20-30 %hm.

Anhydromorfní humózní horizonty ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

iniciální - Ai „ do 5 cm humózní (lesní) - Ah „ do 10 cm humózní drnový – Ad melanický - Am „ nad 10 cm, tmavý, nasycený (VM > 60 %) černický - Ac „ nad 30 cm, tmavý, nasycený „ kvalitn9 humus (Q4/6<4-4,5, HK/FK>1,5)

Organominerální povrchové horizonty (epipedony) ‡ ‡ ‡

‡ ‡ ‡

andický - Aa „ kyprý, tmavý, u andosolů tirsový – As „ nad 30 cm, tmavý, nasycený, těžký, z bobtnavých jílů umbrický - Au „ nad 10 (25) cm, tmavý, silně nenasycený (VM < 20 %) „ nekvalitní humus (Q4/6>8, HK/FK<<1) koloidy ochuzený - Ahe ochrický - Ao „ velmi světlý, aridní oblasti molický „ Am, Ac nebo As při obtížích rozlišení

Organominerální povrchové horizonty (epipedony) Hydrogenní humózní horizonty ‡

‡

‡

hydrogenní – Ahn, Acn, Amn, Aun „ s bročky hydrogenní – Ahg, Acg, Amg, Aug „ bez bročků zrašelinělý – At „ OL 14-20 %hm., 10-50 cm

110

Organominerální povrchové horizonty (epipedony) Kulturní humózní horizonty ‡

‡

‡

orniční – Ap „ vytvořen orbou drnový - Ad „ trvalý travní porost na původně lesní půdě antropický – Az „ výrazná antropogenní činnost do hloubky 30-50 cm

Podpovrchové horizonty Vysvětlené, jílem nebo oxidy Fe, Mn ochuzené horizonty - E ‡ ‡

‡ ‡

„ vznikají eluviací plavohnědý ochuzený – Ev vybělený albický - E „ podzolový – Ep „ s infiltrací humusu – Eh „ ochuzený luvický – El „ ochuzený soloncový - Es vybělený nodulární – En „ nodulární novotvary (Fe, Mn bročky) hydrogenní vybělený – Ew „ bez nodulárních novotvarů

Podpovrchové horizonty Kambické (metamorfické) horizonty ‡

‡

‡

‡

„ hnědnutí a tvorba jílu hnědý – Bv „ amorfní Fe, tvorba jílu rubifikovaný - Br „ červenější (větší krystalizace Fe) pelický – Bp „ těžký, jílovitý andický – Bv „ výrazně kyprý

111

Podpovrchové horizonty Spodické horizonty sorpčně nenasycené, výměnný Al mobilní organominerální komplexy (cheláty Fe a Al) „ vznikají podzolizací rezivý – Bvs „ okrový až rezivý, kyprý, bez znaků iluviace humusoseskvioxidický – Bhs,Bsh „ rezivý až černorezivý, se znaky iluviace seskvioxidický – Bs „ rezivý iluviální ortštejnový – Bsd „ ztvrdlý – tvorba ortštejnu „ „

‡ ‡ ‡ ‡

Podpovrchové horizonty Luvické, jílem obohacené horizonty obohacené o jíl a minerály Fe – jílové povlaky vznikají iluviací – illimerizací nebo soloncováním luvický (argilický) – Bt ‡ nad 15 cm „ šedý – Bth – černohnědé povlaky, iluviace i org. látek „ hnědý – Bt – hnědé povlaky „ degradovaný – Btd – jazykovitý přechod z E „ oglejený – Btg – rezivé a vybělené partie natrický – Bn „ alkalický, vysoký obsah výměnného Na „ sloupkovitá struktura „ „

‡

‡

Podpovrchové horizonty Mramorované redoximorfní horizonty - Bm hydromorfně (oglejením) přetvořené horizonty vysvětlené partie při povrchu pedů mramorovaný – Bm „ často z kambického horizontu mramorovaný luvický – Bmt „ z luvického horizontu „ „

‡

‡

112

Podpovrchové horizonty Glejové reduktomorfní horizonty - G ‡

‡

‡

„ dlouhodobě (podzemní) vodou nasycená část profilu glejový reduktomorfní – Gr „ šedá, zelěnavě šedá až modrošedá matrice glejový oxidačněredukční – Gor „ do 10 % oxidovaných partií (rezivých novotvarů) glejový redukčněoxidační – Gro „ nad 10 % oxidovaných partií (rezivých novotvarů)

Podpovrchové horizonty Horiz. akumulace reoxidovaných oxidů Fe, Mn ‡

okrový – Bos „ rezivé akumulace oxidů Fe, Mn „ zpravidla ve svrchní části profilu

Horizonty akumulace solí ‡

‡

kalcický – K „ obsah CaCO3>15 %, nad 15 cm „ jinak jen jako index k (např. Ck) salický – S „ akumulace rozpustných solí

Substráty a hlubší vrstvy Půdotvorný substrát – C Půdní sediment – M Rozpad pevné horniny – Cr Pevná mateční hornina – R Podložní hornina (odlišná od substrátu) - D

113

Diagnostické znaky ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

vyluhování, acidifikace – sorpční nasycenost trofismus – „minerální síla“ hydromorfismus – znaky redukce, mramorování, noduly zasolení, soloncování – vodivost, nasycenost Na fluvické znaky – vrstevnatost, OL v profilu vertické znaky – objemové změny jílů andické znaky – amorfní minerály, Al, kyprost eroze, akumulace, překrytí antropogenní ovlivnění kontaminace, intoxikace

1. LEPTOSOLY ‡ ‡ ‡

Půdy vytvářející se z rozpadů pevných či zpevněných hornin či jejich bazálních souvrství Výrazná skeletovitost a mělkost profilu Půdní typy: • Litozem - LI • Ranker - RN • Rendzina - RZ • Pararendzina - PR

Litozem – LI

(Nevyvinutá půda - NV)

114

Litozem – LI

(Nevyvinutá půda - NV)

Ah – humusový (Ai - iniciální) R – mateční hornina

Ranker – RN

(Nevyvinutá půda - NV)

Ranker – RN

(Nevyvinutá půda - NV)

(O) Ah Cr granodiorit

R

115

Ranker kambický - RNk (O) Ah (Bv) C R

břidlice

droba

Rendzina – RZ

Rendzina - RZ

(Rendzina - RA)

Am – melanický

Ck Rk (vápenec)

116

Rendzina – RZ

Pararendzina – PR (Rendzina - RA) Am (Ah) Crk

Rk

Pararendzina pelická (na slínovci) Hloubka (cm)

0-24

24-45

45-61

> 61

< 0,001 mm

40,5

56,3

46,9

47,3

< 0,01 mm

50,4

74,0

77,2

76,6

Humus (%)

2,8

1,0

0,8

0,6

HK/FK

1,2

1,0

-

-

Karbonáty (%)

2,5

8,0

28,0

34,0

pHKCl

7,1

7,2

7,2

7,3

pHH2O

7,6

7,8

7,7

8,1

KVK (mmol(+)/100g)

28,2

27,7

22,6

19,0

V (%)

100

100

100

100 58,7

Prvkové složení (tot. %) SiO2

58,8

59,1

56,6

Fe2O3

3,9

4,1

3,8

3,3

Al2O3

10,3

12,2

11,1

14,0

Volné Fe2O3 (mg/100g)

920

400

380

120

117

2. REGOSOLY ‡ ‡

‡

Půdy vzniklé z nezpevněných sedimentů, zejména z písků a štěrkopísků. Výrazná mineralizace. Půdní typy: • Regozem - RG

118

Regozem – RG (Drnová půda - DA) (O) Ah (Ap)

C

Regozem – RG (Drnová půda - DA) Ah (Ap)

Ck

Regozem (Veselí nadLužnicí) Hloubka (cm)

0-22

22-110

110-120

< 0,001 mm

7,9

3,0

3,9

< 0,01 mm

23,2

5,8

7,8

Humus (%)

2,5

0,2

0,1

HK/FK

-

-

-

Karbonáty (%)

0

0

0

pHKCl

5,6

7,0

6,8

pHH2O

6,8

7,1

6,9

KVK (mmol(+)/100g)

10,9

1,3

1,1

V (%)

48,6

7,7

45,5

119

120

3. FLUVISOLY ‡

‡

‡

Půdy bez výrazných diagnostických horizontů, s fluvickými diagnostickými znaky, vzniklými periodickým usazováním sedimentů. Proces sedimentace. Půdní typy: • Fluvizem - FL • Koluvizem - KO

Fluvizem – FL (Nivní půda - NP)

Fluvizem – FL (Nivní půda - NP) (O) Ah (Ap)

M C

121

Fluvizem – FL

Fluvizem glejová – FLq Ahn M

Cg

Fluvizem (Veselí nadLužnicí) Hloubka (cm)

0-28

28-59

59-74

< 0,001 mm

6,9

7,1

8,4

74-120 6,2

< 0,01 mm

18,5

22,3

21,1

10,7

Humus (%)

0,7

2,0

1,5

1,1

HK/FK

-

-

-

-

Karbonáty (%)

0

0

0

0

pHKCl

5,2

5,2

5,1

5,3

pHH2O

5,9

6,0

5,8

5,9

KVK (mmol(+)/100g)

12,1

13,3

12,5

5,8

V (%)

37,2

42,9

52,0

31,0

122

Koluvizem – KO Ap Az

123

4. VERTISOLY ‡ ‡

‡

Těžké půdy s vertickými diagnostickými znaky (trhliny, skluzné plochy - slickensides). Hluboký tmavý tirsový humusový horizont. Půdní typy: • Smonice

- SM

Smonice – SM

(ČM smonice)

Ap - orniční As - tirsový As/Ck Ck

VERTISOLY – trhliny

124

VERTISOLY – vertické znaky

VERTISOLY – vertické znaky - skluzné plochy (slickensides)

Smonice Hloubka (cm)

0-21

21-70

70-105

> 105

< 0,001 mm

31,3

61,4

63,3

69,5

< 0,01 mm

52,8

75,9

90,2

87,6

Humus (%)

5,8

3,1

1,0

0,2

HK/FK

0,9

1,0

-

-

Karbonáty (%)

0,2

0,1

3,2

3,1

pHKCl

7,1

7,0

7,2

7,2

pHH2O

8,4

7,9

8,0

7,9

30,7

39,2

37,7

29,2

95

91

100

98 58,5

KVK (mmol(+)/100g) V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO2

66,8

63,1

60,2

Fe2O3

7,5

8,2

7,9

7,5

Al2O3

19,2

21,8

21,9

21,9

Volné Fe2O3 (mg/100g)

920

510

500

490

125

5. ČERNOSOLY ‡ ‡ ‡ ‡

Půdy s mocným (0,4 -0,6 m) černickým humusovým horizontem s drobtovitou až zrnitou strukturou. Z nezpevněných karbonátových substrátů. Probíhá humifikace a bioakumulace. Půdní typy: • Černozem – CE • Černice – CC

126

Černozem – CE (Černozem - ČM)

Ap - orniční Ac - černický Ac/Ck (K – kalcický) Ck

Černozem – CE (Černozem - ČM) Ap - orniční Ac - černický Ac/Ck (K – kalcický) Ck

Černozem – cicváry

127

Černozem – pseudomycelia

Černozem – CE (Černozem - ČM)

Černozem – krotoviny

128

Černozem modální (na spraši, Brázdim) Hloubka (cm)

0-25

25-55

55-80

> 80

< 0,001 mm

22,6

24,1

22,9

20,7

< 0,01 mm

36,0

41,0

37,5

36,5

Humus (%)

2,4

2,2

1,1

0,3

HK/FK

2,2

2,4

1,8

-

Karbonáty (%)

0,9

0,3

11,6

16,9

pHKCl

7,5

7,4

7,7

7,7

pHH2O

7,8

7,7

8,1

8,1

KVK (mmol(+)/100g)

22

22

16

12

100

100

100

100 72,2

V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO2

74,5

71,1

70,7

Fe2O3

3,8

3,3

3,8

3,3

Al2O3

17,2

16,7

16,9

17,5

Volné Fe2O3 (mg/100g)

980

520

480

200

Mapa osídlení 10 tis. let před n. l.

129

Černice – CC

(Lužní půda - LP)

(Ap) Acn ACg Slín

Cg

Černice – CC

130

Černice – CC Acn

- černický

ACg Cg

131

6. LUVISOLY ‡ ‡ ‡

Půdy s diagnostickým horizontem (argi)luvickým a méně či více výrazným (albickým) horizontem eluviace jílu. Proces illimerizace. Půdní typy: • Šedozem - SE • Hnědozem - HN • Luvizem - LU

6. LUVISOLY – illimerizace % jílu

Povlaky jílových minerálů

6. LUVISOLY – novotvary ‡

Povlaky jílových minerálů

132

6. LUVISOLY – novotvary ‡

Povlaky jílových minerálů

Šedozem – SE

(ČM illimerizovaná)

Ap (Ame) (Ev) Bth - organoluvický Ck

Šedozem – SE

133

Šedozem - SE

Ame Bth Ck

Šedozem - SE

Hnědozem – HN (Hnědozem - HM) (Ap) Ah (Ev) Bt - luvický B/C C (Ck)

134

Hnědozem – HN (Hnědozem - HM) (Ap) Ah (Ev) Bt - luvický B/C C (Ck)

Hnědozem modální Hloubka (cm)

0-28

28-40

40-70

70-105

> 105

< 0,001 mm

18,6

19,5

28,9

17,2

13,4

< 0,01 mm

30,3

30,5

40,0

35,3

34,8

Humus (%)

1,5

0,7

0,4

0,4

0,1

HK/FK

1,2

0,6

-

-

-

0

0

0

0

14,5

pHKCl

7,3

7,2

7,1

7,2

7,7

pHH2O

7,5

7,5

7,3

7,4

8,1

KVK (mmol(+)/100g)

14

11

16

11

10

V (%)

95

95

95

97

100 68,2

Karbonáty (%)

Prvkové složení (tot. %) SiO2

75,2

70,1

74,4

69,8

Fe2O3

3,8

3,3

3,9

3,6

3,3

Al2O3

15,2

16,8

17,2

16,5

15,5

Volné Fe2O3 (mg/100g)

420

400

440

360

280

135

Luvizem – LU

(Illimerizovaná p. - IP)

(Ap) Ah El Bt - luvický (Btd – l.degradovaný) C

Luvizem

136

Luvizem modální Hloubka (cm)

0-26

26-40

40-50

50-70

< 0,001 mm

13,1

15,3

25,3

30,0

30,8

29,1

< 0,01 mm

37,9

38,4

45,5

49,6

46,2

59,2

Humus (%)

1,4

0,6

0,6

0,3

0,2

0,1

HK/FK

1,1

0,3

0,3

-

-

-

0

0

0

0

0

0

pHKCl

6,2

5,8

5,0

5,0

5,3

6,5

pHH2O

7,3

6,4

6,4

5,9

6,6

7,0

KVK (mmol(+)/100g)

18

17

19

21

19

15

V (%)

72

72

70

66

76

89 72,8

Karbonáty (%)

70-95 95-110

Prvkové složení (tot. %) SiO2

79,6

81,3

78,8

75,5

74,7

Fe2O3

2,2

2,2

3,2

4,0

3,8

4,0

Al2O3

10,2

11,1

11,8

14,0

14,3

13,9

Volné Fe2O3 (mg/100g)

750

800

900

950

970

900

Luvizem oglejená – LUg (Ap) Ah El Bmt – mramorovaný luvický C

137

Katena – sled pedonů směrem do terénní deprese – změna barvy B horizontů

7. KAMBISOLY ‡

‡ ‡ ‡

Půdy s výrazným metamorfickým horizontem, vytvořeným v hlavním souvrství svahovin z přemístěných zvětralin pevných či zpevněných hornin aj. Různá zrnitost, vyluhování a acidifikace. Probíhá hnědnutí a tvorba jílu. Půdní typy: • Kambizem - KA • Pelozem - PE

138

Kambizem – KA (Hnědá půda - HP) O (Ah) Bv - kambický

C

Kambizem – KA (Hnědá půda - HP) (O) Ah Bv - kambický

C břidlice

slepenec

Kambizem arenická – KAr (O) Ah Bv C břidlice

(písek)

slepenec

139

Kambizem rankerová – KAs (O) Ah Bv C břidlice

břidlice

slepenec gabrodiorit

Kambizem melanická – KAn (O) Am - melanický Bv C polygen. hlína břidlice

slepenec

čedič

Kambizem melanická (Věrušičky) Hloubka (cm)

0-30

30-55

55-80

80-120

< 0,001 mm

16

16

12

10

< 0,01 mm

43

38

32

33

Humus (%)

3,0

1,7

0,8

0,4

HK/FK

1,5

1,0

-

-

0

0

0

0

pHKCl

5,6

5,6

5,8

5,9

pHH2O

6,0

6,4

6,8

7,0

KVK (mmol(+)/100g)

28

26

16

12

V (%)

61

66

74

79

SiO2

55,8

49,8

49,0

47,1

Fe2O3

12,6

12

15

14,4

Al2O3

16,6

18,1

19,4

20,2

Volné Fe2O3 (mg/100g)

1830

2100

2050

1700

Karbonáty (%)

Prvkové složení (tot. %)

140

Kambizem dystrická – KAd (O) Ah Bv C granodiorit

břidlice

amfibolit

slepenec

Kambizem dystrická Hloubka (cm)

0-20

20-35

35-65

< 0,001 mm

4,4

8,8

9,2

5,8

< 0,01 mm

21,1

23,2

21,1

13,7

Humus (%)

6,6

6,6

4,1

0,7

HK/FK

0,7

0,4

0,2

-

0

0

0

0

pHKCl

4,1

4,4

4,5

4,3

pHH2O

4,9

5,2

5,0

4,9

24,8

21,1

21,0

13,2

30

30

30

30 57,1

Karbonáty (%)

KVK (mmol(+)/100g) V (%)

65-105

Prvkové složení (tot. %) SiO2

65,5

63,5

59,8

Fe2O3

5,7

5,9

5,5

7,1

Al2O3

19,5

20,6

23,3

26,6

Volné Fe2O3 (mg/100g)

1080

1120

1350

650

141

8. ANDOSOLY ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

Půdy na zvětrávájících kyselých vulkanických popelech. Uvolňování volného Al či tvorba amorfních jílových minerálů alofanu a imogolitu. Hluboký, silně humózní andický humusový horizont a kyprý kambický andický horizont. V ČR nebyly zjištěny. Půdní typy: • Andozem - AD

Andozem – AD Ap Aa – h. andický Ba - andický C

142

9. PODZOSOLY ‡ ‡

‡

Půdy se spodickými diagnostickými horizonty, silně sorpčně nenasycené. Proces podzolizace. Půdní typy: • Kryptopodzol • Podzol - PZ

- KP

Kryptopodzol – KP (HPp, Rezivá p.) (O) Ah (Ap) Bvs - rezivý

C rula

amfibolit

143

Podzol – PZ (Podzol - PZ) O (Ah) Ep - ochuzený podzolový Bhs - humusoseskvioxidický Bs - seskvioxidický C (rula)

Podzol – PZ O (Ah) Ep Bhs

C

Podzol arenický - PZr

144

Podzol arenický - PZr O Ah Ep Bhs (Bsd) Bs C

Podzol arenický – PZr O (Ah) Ep Bhs (Bsd) Bs (Novotvar: ortštejn) kvádrový pískovec

C

štěrkopísek

Podzol – novotvar ortštejn

kvádrový pískovec

štěrkopísek

145

Podzol – podzolizace

kvádrový pískovec

štěrkopísek

Podzol modální (Moldava, Krušné hory) Hloubka (cm)

0-10

10-22

22-30

< 0,001 mm

7

5

8

57-80 5

< 0,01 mm

18

16

17

18

Humus (%)

-

14,0

3,9

10,8

HK/FK

-

0,7

0,3

-

Karbonáty (%)

0

0

0

0

pHKCl

3,0

3,1

3,4

4,2

pHH2O

3,4

3,8

4,1

4,5

KVK (mmol(+)/100g)

30

14

29

15

<30

<30

<30

<30 65,1

V (%) Prvkové složení (tot. %) SiO2

70,7

77,7

58,5

Fe2O3

5,2

1,8

7,5

3,3

Al2O3

17,6

16,0

25,1

22,9

Volné Fe2O3 (mg/100g)

550

60

2790

350

146

10. STAGNOSOLY ‡

‡ ‡

Půdy semihydromorfní, s výrazným redoximorfním mramorovaným horizontem v důsledku povrchového periodického převlhčení v hloubce do 0,5 m. Proces oglejení. Půdní typy: • Pseudoglej - PG • Stagnoglej - SG

Pseudoglej – PG

(Oglejená p. - OG)

Ahn (En – nodulární) Bm mramorovaný Bmt BCg diluviální hlína

C

diluviální hlína

147

Pseudoglej – PG

Ahn (En) Bm BCg

Psudoglej – Fe-Mn konkrece

diluviální hlína

diluviální hlína

Pseudoglej Hloubka (cm)

0-27

27-43

43-60

60-110

< 0,001 mm

9,3

12,7

39,6

24,9

< 0,01 mm

42,6

36,7

53,0

49,9

Humus (%)

3,4

0,3

0,3

0,2

HK/FK

1,1

0,9

0,2

0,1

0

0

0

0

pHKCl

5,0

4,4

4,2

4,1

pHH2O

5,3

4,8

4,7

4,6

KVK (mmol(+)/100g)

17

15

18

14

V (%)

34

<30

<30

35 73,1

Karbonáty (%)

Prvkové složení (tot. %) SiO2

77,9

77,2

76,0

Fe2O3

2,5

3,4

3,7

3,0

Al2O3

12,5

12,5

13,6

16,1

Volné Fe2O3 (mg/100g)

1080

1230

1140

880

148

Stagnoglej – SG Ahg (At) Gro - glejový Bm diluviální hlína

Cg

diluviální hlína

149

11. GLEJSOLY ‡

‡

‡

Půdy s výrazným reduktomorfním glejovým horizontem v hloubce do 0,5 m v důsledku dlouhodobého provlhčení zejména podzemní vodou. Glejový proces. Půdní typy: • Glej - GL

Glej – GL

(Glejová p.- GL)

Glej – GL

(Glejová p.- GL)

(Ot) At (T) Gro Gor Grný diluviální hlína

diluviální hlína

150

Glej – GL

diluviální hlína

diluviální hlína

Glej – rezivé povlaky

diluviální hlína

diluviální hlína

Glej – GL (Ot) At (T) Gor Gro Grný diluviální hlína

diluviální hlína

151

Glej (Březnice) Hloubka (cm)

0-9

9-30

30-66

66-90

< 0,001 mm

10,3

15,5

14,0

10,5

< 0,01 mm

40,9

46,3

35,0

30,9

Humus (%)

7,7

1,9

0,7

1,1

HK/FK

-

-

-

-

Karbonáty (%)

0

0

0

0

pHKCl

5,5

6,0

6,1

6,0

pHH2O

6,4

7,2

7,4

7,2

KVK (mmol(+)/100g)

29,9

17,6

11,8

11,6

V (%)

51,2

60,2

66,1

60,3

152

Katena

12. SALISOLY ‡

Půdy s s vysokým obsahem rozpustných solí, s výraznými znaky zasolení a se salickým diagnostickým horizontem.

‡

Půdní typy: • Solončak

- SK

Solončak – SK (Solončak - SK)

Ah

S - salický Cs

153

13. NATRISOLY ‡

‡ ‡

Půdy s natrickým horizontem se sloupkovitou strukturou ve svrchní části nebo nasyceností sorpčního komplexu sodíkem vyšší než 15 % do 0,5 m. Proces soloncování. Půdní typy: • Slanec - SC

Slanec – SC

(Solonec-SC)

Ah Sloupkovitá struktura

Es – soloncový ochuzený Bn - natrický BC C

154

Slanec – SC

(Solonec-SC)

Sloupkovitá struktura

14. ORGANOSOLY ‡

‡

‡

Půdy s holorganickými, hlavně rašelinnými horizonty o mocnosti nad 0,5 m (případně 0,1 m). Proces rašelinění. Půdní typy: • Organozem - OR

155

Organozem – OR (Rašelinová p.-RŠ)

T – rašelinný horizont

Organozem – OR (Rašelinová p.-RŠ)

T – rašelinný horizont

C

Organozem – OR

156

15. ANTROPOSOLY ‡

‡

Půdy vzniklé výraznou modifikací půdních horizontů kultivačními, melioračními opatřeními, pohřbením původních půdních horizontů. Půdy vzniklé z člověkem přemístěných materiálů či překryté (sealing).

‡

Půdy silně kontaminované.

‡

Půdní typy: • Kultizem - KU • Antrozem - AN

157

Antro(po)zem – AN

Antrozem – AN

Az - antropický

C

Referenční třídy a půdní typy TKSP

LEPTOSOLY litozem (LI) ranker (RN) rendzina (RZ) pararendzina (PR)

REGOSOLY regozem (RG)

FLUVISOLY fluvizem (FL) koluvizem (KO)

VERTISOLY smonice (SM)

ANDOSOLY andozem (AD)

ČERNOSOLY černozem (CE) černice (CC)

LUVISOLY šedozem (SE) hnědozem (HN) luvizem(LU)

WRB: IUSS/FAO/ISRIC 1998 lithic Leptosols (LP) Leptosols (LP) rendzic Leptosols(LP) Leptosols (LP) Regosols (RG) Arenosols (AR) Fluvisols (FL)

Vertisols (VR) Andosols (AN) Chernozems (CH) Phaeozems (PH) greyic Phaeozems (gz PH) haplic Luvisols (ha LV) Albeluvisols (AB)

158

Referenční třídy a půdní typy WRB: IUSS/FAO/ISRIC TKSP 1998

KAMBISOLY kambizem (KA) pelozem (PE)

PODZOLY kryptopodzol (KP) podzol (PZ)

STAGNOSOLY pseudoglej (PG) stagnoglej (SG)

GLEJSOLY glej (GL)

ORGANOSOLY organozem (OR)

SALISOLY solončak (SK)

NATRISOLY

Cambisols (CM) entic Podzols (et PZ) haplic Podzols (ha PZ) stagnic … gleyic (Stagnosols) Planosols Gleysols (GL) Histosols (HS) Solonchacs (SC) Solonetzs (SN)

solonec (SC)

ANTROPOSOLY kultizem (KT) antrozem (AN)

Anthrosols (AT) anthropic Regosols (RG)

Zastoupení půdních typů v ČR Půdní typ Kambizemě Pseudogleje Gleje Černozemě Fluvizemě Hnědozemě Kryptopodzoly Luvizemě Regozemě Černice Podzoly Antrozemě Pelozemě Ostatní

% 49,46 7,76 7,31 6,80 6,65 5,73 4,38 3,07 1,65 1,52 1,47 1,09 1,04 1,82

WRB

159

US – Soil Taxonomy

VLASTNÍ PEDOGEOCHEMIE Chování a koloběhy prvků v půdě

Globální cyklus chemických prvků Atmosféra AZ

ZA

OA

Země

ZT

AO

Oceány

Toky (řek)

TO

160

Zdroje prvků v půdě ‡

přirozené – primární „

‡

přirozené - druhotné „

‡

nerosty, horniny, ložiska produkty přírodních pochodů ‡ prachové bouře, sopečná činnost ‡ atmosférické srážky a spady

antropogenní „ „ „

aplikace melioračních surovin, hnojiv pesticidů, popílky, kaly, závlahové vody apod. atmosférický spad

Procesy ovlivňující obsahy prvků v půdě ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

geologický a biologický koloběh látek uvolňování z vazeb (zvětrávání) migrace vyluhování akumulace biologické procesy a akumulace

UHLÍK V PŮDĚ Formy výskytu: ‡ ‡ ‡

CO2 uhličitany organická hmota (stabilní humus i DOM)

Hlavní přirozené zdroje: ‡ ‡ ‡

organismy (OH, CO2) mateční horniny (uhličitany) atmosféra (CO2)

161

Globální bilance C údaje se mírně liší podle literárních pramenů

Množství C v 109 t: Půda Půda Atmosféra Biomasa Oceány Ostatní (org. C) (anorg. C) souše 1.500-1.600 700-1.000 700-760 450-550 38.000 150

Oxid uhličitý Zdroje: ‡

dýchání organismů, atmosféra

Formy: ‡ ‡

plynný v půdním vzduchu rozpuštěný v půdním roztoku

Význam: ‡ ‡

fotosyntéza okyselování půdy (tvorba H2CO3)

Půdní uhličitany Zdroje: ‡ ‡

primární: „ mateční horniny sekundární „ precipitace „ vápnění „ spady

Význam: ‡ ‡ ‡ ‡

pufrační schopnost zásoba živin (Ca, Mg) sorpce půdotvorné procesy

Nejběžnější: ‡ ‡

kalcit – CaCO3 dolomit – CaMg(CO3)2

Nejbohatší půdy: rendziny a pararendziny černosoly ‡ vertisoly ‡ šedozemě a hnědozemě Ve světě: ‡ kaštanozemě ‡ ‡

162

Formy uhličitanového C ve vodě v závislosti na pH

Aktivita uhličitanů v roztoku

Uhlík v organické hmotě Obsahy C v různých ekosystémech 250 200

1 Pg (petagram) = 1015 g

228

150

109

100

26

50

84

27 9

0 -50 -100

130

104

Jehličnatý les

Listnatý les

Travní porost

182 192

Savana

Tropický prales

-200

149

185

Tundra

-150

Nadzemní biomasa Půda

163

Obsahy C v různých ekosystémech

1 Pg = 1015 g

Obsah OH v půdě Skupina půd

Obsah OH (%)

Tropické půdy (Oxisols, Ferralsols)

1-2

Písčité půdy (Psamments, Arenosols)

<1

Zamokřené půdy (Aquepts, Gleys)

10

Typické prérijní půdy (Mollisols, Chernozems)

5-6

Kritéria hodnocení obsahu OH v půdě v ČR Hodnocení Velmi nízký

Obsah humusu (%) <1

Nízký

1-2

Střední

2-3

Vysoký

3-5

Velmi vysoký

>5

164

Obsah a kvalita OH v některých půdách ČR Půdní jednotka

Humus (%)

HK : FK

Černozem

2,6

2,4

Hnědozem

1,8

1,1

Luvizem

1,7

0,9

Pseudoglej

2,2

0,7

Kambizem eutrofní

2,5

0,7

Kryptopodzol

5,4

0,6

Rozložení organického C v půdním profilu

Množství OH z rostlin Plodina Vojtěška

Suchá hmota rostlinných zbytků (t/ha) 8,2

Jetel luční

5,2

Pšenice ozimá

3,1

Ječmen jarní

2,5

Brambory

0,9

Cukrovka

0,9

165

Bilance C

Dynamika půdní OH

Vývoj obsahu OH během obdělávání

166

Degradace půdy po odlesnění

Sekvestrace uhlíku = snaha dlouhodobě zvýšit obsah organické hmoty v půdě Způsoby: ‡ ‡ ‡

omezení mineralizace dodávka OH do půdy omezení eroze

Problémy: ‡ ‡

nedostatek a ztráty OH pomalý proces

Zdroje organické hmoty pro hnojivé účely v ČR Posklizňové zbytky (včetně kořenové hmoty a exudátů) 50-60% ‡ Organická hnojiva 40-50% ‡

„

„

‡

Statková hnojiva ‡ Hnůj, kejda ‡ Sláma a zelené hnojení Průmyslové komposty

97% 92% 8% 3%

Ostatní (rašelina, čistírenské kaly, apod.)

(Rychter et al. 2001, Škarda a Římanovský 1992)

167

DUSÍK V PŮDĚ ‡

v půdách běžně 0,25 ( 0,02 - 0,5) %hm.

Formy výskytu: ‡

‡

anorganické formy: „ dusičnanový N – NO3„ dusitanový N – NO2„ amonný N – NH4+ organické formy (95-99 %) „ bílkoviny, peptidy, aminokyseliny „ nukleové kyseliny, chitin, aminosacharidy „ huminové látky „ aj.

Globální bilance N (106 t)

Bilance dusíku v půdě Zdroje: ‡

atmosféra – plynný N „ „

‡ ‡

suchá a mokrá depozice hnojiva „ „

‡

fixace blesky

organická – pevná (hnůj) i kapalná (kejda, močůvka) průmyslová – močovina, DA, DAM, SA aj.

minerály – omezeně

Ztráty: ‡ ‡ ‡

vytěkání NH3, N2 a oxidů N (N2O, NO) odběr rostlinami aj. organismy vyplavení, eroze, smyv

168

Koloběh dusíku

Tvorba reaktivního N 106t N.r-1 (1990) (Galloway et al., 2004) Kontinent

Blesky

Biol. fixace

Fosilní paliva

Afrika

1,4

27,7

0,8

Asie

1,2

35,1

5,7

Evropa*

0,1

18,7

6,1

L. Amerika

1,4

31,5

S. Amerika

0,2

Oceánie Celkem

Výroba hnojiv

Import

Vstupy celkem

2,5

1,2

33,6

40,1

13,8

95,9

21,6

9,6

56,1

1,3

3,2

2,5

39,9

17,9

7,3

18,3

5,0

48,7

0,2

7,6

0,4

0,4

0,6

9,2

4,5

138,5

21,6

86,1

32,7

283,4

* včetně zemí bývalého SSSR

Přeměny dusíku v půdě Fixace molekulárního N: ‡

redukce N2 na amoniak N2 + 8H+ + 6e- (+energie, nitrogenáza) → 2NH3 + H2

‡

biologický proces „ symbiotické (zejména u bobovitých rostlin) i volně žijící organismy ‡ ‡ ‡

‡

bakterie (Azotoacter, Clostridium, Rhizobium) aktinomycety (Frankia) sinice (Nostoc, Anabaena)

snaha o zvýšení (inokulace aj.)

169

Přeměny dusíku v půdě Mineralizace organické hmoty: ‡ ‡

též amonifikace, amonizace uvolnění N z organických vazeb R-NH2 + 2H2O → NH4+ + R-OH + OH-

‡ ‡

mikroorganismy a extracelulární enzymy opačným procesem je imobilizace N v organické hmotě

Volatilizace amoniaku: ‡

alkalické půdy, teplo, sucho, provzdušenost NH4+ + OH- → NH3 + H2O

Přeměny dusíku v půdě Nitrifikace: ‡

oxidace amonných forem N NH4+ → NH2OH → (NOH) → NO → NO2- → NO3sumárně:

NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ ‡ ‡ ‡ ‡

zvýšení mobility N v půdě okyselení prostředí uvolnění plynných oxidů N biologický proces „ bakterie (Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrobacter)

Přeměny dusíku v půdě Denitrifikace: ‡

redukce oxidovaných forem N NO3- → NO2- → (NO) → N2O → N2

‡ ‡

uvolnění energie v hypo- a anoxických podmínkách nežádoucí „ „

‡

‡

uvolnění N2O do atmosféry ochuzení půdy o využitelný N

biologický proces „ bakterie (Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium aj.) nerespirační denitrifikace – v AE prostředí, nejasný význam

170

Přeměny dusíku v půdě Asimilační a disimilační redukce NO3- na NH4+: ‡

redukce nitrátu pomocí cytoplasmatických enzymů rostlin a mikroorganismů

NO3- → NO2- → (NOH) → NH2OH → NH4+ → glutamát, glutamin aj. ‡ ‡

uvolnění energie (např. v anoxických podmínkách) biologický proces „ AN bakterie (Clostridium, Desulfovibrio, Bacillus aj.)

Fixace NH4+: ‡

poutání ve struktuře jílových minerálů (až 19 mg NH3/kg)

Vývoj forem N v zaplavené půdě

Přeměny N a jejich ox. stav

171

Koloběh N v půdě

Faktory přeměn dusíku v půdě ‡

zdroje N v půdě „ „

‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

organické anorganické

odběr rostlinami zrnitost půdy provzdušnění půdy vlhkost teplota složení mikroorganismů redox podmínky

Bilance živin v půdě (zemědělské půdy; FAO, 1988) Svět

Evropa

N

P

N

P

hnojiva

70,0

14,4

9,3

2,0

odpady

58,0

12,0

7,1

1,4

atmosféra

89,0

-

1,3

-

Celkové zdroje (109 kg)

217,0

26,4

17,7

3,4

Celkem v kg ha-1

13,0

5,6

96,0

26,8

zemědělské plodiny

60,4

11,7

10,1

1,9

denitrifikace

156,6

-

4,3

-

Celkový úbytek (109 kg)

217,0

11,7

14,4

1,9

Celkem v kg ha-1

Zdroje živin (109 kg)

Úbytek živin (109 kg)

13,0

2,5

78,0

15,0

Čistý přídavek (109 kg)

-

+14,7

+3,3

+1,5

Čistý přídavek v kg ha-1

-

+13,1

+18,0

+11,8

172

Ztráty dusíku z půdy Hlavní cesty ztráty: ‡ ‡ ‡

vymývání (NO3-) denitrifikace → NO2, N2 vytěkání (NH3)

Příčiny: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

nadměrné a nevhodné hnojení rozpustné formy hnojiv nízká sorpční kapacita půd pro N mikrobní aktivita vysoká propustnost půd (lehké půdy) vysoké srážky eroze, smyv, vyluhování

Využití N z hnojiv Celkové vstupy N Nadbytečný anorg. N

Denitrifikovaný N N ve stéble

N v zrnu

N z hnojiva

Důsledky ztráty živin z půdy ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

snížení produkce zvýšení nákladů znečištění vzduchu (N) znečištění podzemních a povrchových vod (N, P) eutrofizace vod

173

Atmosférické emise a depozice na počátku 90. let, 106t N.r-1 (Galloway et al., 2004) Kontinent

Emise NOx

Depozice NOx

Bilance NOx

Afrika

6,8

5,0

-1,9

Asie

10,7

6,5

-4,2

Evropa*

7,9

5,0

-2,9

L. Amerika

5,3

3,1

S. Amerika

8,5

Oceánie Pevnina celkem

Emise NH3

Depozice NHx

Bilance NHx

7,0

5,6

-1,4

22,1

16,1

-6,0

8,0

5,6

-2,4

-2,2

7,8

5,8

-2,1

4,7

-3,8

3,6

3,0

-0,6

1,1

0,5

-0,6

1,0

0,5

-0,5

40,4

24,8

-15,6

49,5

36,5

-13,0

Oceány celkem

4,2

21,0

16,8

5,6

18,3

12,7

Celkem

44,6

45,8

55,1

54,8

* včetně zemí bývalého SSSR

Celkové emise N

Celkové depozice anorg. N (mg N.m-2r-1) 1860

(Galloway et al., 2004)

1990

2050

174

Celkové emise v ČR (x1000 t r-1)

0

500

1000

1500

2000

2500

SO2 1980 SO2 1985 SO2 1990 SO2 1993 SO2 1995 SO2 1997 SO2 1999

NOx 1980 NOx 1985 NOx 1990 NOx 1993 NOx 1995 NOx 1997

Zdroj dat: ČHMÚ

NOx 1999

FOSFOR V PŮDĚ ‡

v půdách běžně 0,08 (0,02 - 0,5) %

Formy výskytu: ‡ ‡ ‡

apatit, minerální fosforečnany (Ca, Al, Fe) silikáty (substituce Si4+ v tetraedrech) organické sloučeniny (30-50 %) „ „

inositolfosfáty, fosfolipidy nukleové kyseliny, fosforylované cukry

Zdroje P: ‡ ‡

mateční horniny – zvětrávání hnojiva – průmyslová i organická

Koloběh P v půdě

175

Přeměny P v půdě Zvětrávání Sorpce a desorpce Rozpouštění a precipitace Mineralizace Imobilizace v OH Eroze, vyplavení, smyv

Sorpce fosforečnanů Saloidní vazba

„

R-OH + H+-OH- → R-OH2+-OHR-OH2-OH + H2PO4- → R-OH2-H2PO4 + OHještě vyměnitelné

Koloidní vazba „

R-OH + H2PO4- → R-H2PO4 + OHobtížně vyměnitelné

Irreversibilní sorpce „ „

krystalizace vytváření nerozpustných sloučenin s Fe (variscit), Al (strengit), Ca ‡

zvrhávání P, retrogradace kys. fosforečné

Formy P v půdě v závislosti na pH

176

Poutání P v půdě v závislosti na pH

Rovnovážný diagram forem P

Formy P v půdě podle stáří půdy

Formy půdního P

Apatity a Ca fosforečnany

Organický P

Fosforečnany Fe a Al

Rozpustný P

Doba vývoje půdy

177

Rovnovážný diagram forem P v závislosti na pH a Ca za přítomnosti OH

Adsorpce a desorpce P v půdě desorpce

Adsorbovaný P

- idealizovaný průběh

Hystereze

adsorpce

Koncentrace P

Rhizosféra Kořen

Volná půda

Mykorhizní houby Vlášení

Difuse

Příjem Ost. kořen. exudáty H+ ionty Cukry Fosfatázy

Desorpce Rhizosferní mikroorg.

Adsorb. P (Pi)

Rozpouštění Minerální P (Pi)

Org. kyseliny H+ ionty Fosfatázy

Mineralizace

Org. kyseliny

P v roztoku (Pi a Po)

Organický P (Po)

Rozpouštění

Metabolismus Zóna vyčerpání P

Přeměny P v rhizosféře

178

Ztráty fosforu z půdy Hlavní cesty ztráty: ‡ ‡ ‡

vyluhování (rozpustný P) povrchový a podpovrchový smyv (rozpustný P a P v částicích) eroze (P v částicích)

Příčiny: ‡ ‡

nadměrné hnojení nízká sorpční kapacita půd pro P „ „

‡ ‡

nízký obsah Ca, Mg, Fe, Al, jílu zvláště kyselé písčité půdy (podzoly)

vysoké srážky eroze, smyv, vyluhování

Transport P

Eutrofizace = zvýšení výživného stavu vod

Příčiny: ‡ ‡ ‡

ztráty živin z půdy jiné zdroje N a P (prací prostředky, odpadní vody aj.) → narušená bilance teplota, světlo, soli…

Důsledky: ‡

nadměrný růst vodních rostlin → vyčerpání kyslíku → snížení druhové diverzity, hynutí ryb → omezení průhlednosti, splavnosti…

179

Eutrofizace jezer fosforem

Prevence ztrát P (aj. živin) z půdy Přiměřené hnojení ‡

formy a dávky hnojiv, doba a způsob aplikace

„Best management practices“ (BMP) ‡ ‡ ‡

bezorebné hospodaření, obdělávání po vrstevnicích terasy, zasakovací pásy střídání plodin, krycí plodiny aj.

Přídavky do půdy: ‡

materiály obsahující Ca, Mg, Fe nebo Al → snížení rozpustnosti a mobility P

SÍRA V PŮDĚ ‡

v půdách běžně 0,003 - 0,16 %

Zdroje: ‡ ‡ ‡ ‡

mateční horniny suchá a mokrá depozice rostlinné zbytky hnojiva

Bilance (Pg): Atmosféra Hydrosféra 0,0036

1.300.000

Litosféra

Půda

Biosféra

24.100.000

260

7,6

180

Celkové zásoby S (109 t) a toky (106 t r-1)

Síra v půdě Formy výskytu: ‡

‡ ‡ ‡ ‡

sírany (SO42-) „ rozpuštěné, adsorbované, precipitované „ sádrovec aj. SO2 sulfidy (S2-) – v AN podmínkách elementární S – v AN podmínkách organické sloučeniny (70-99 %) „ S aminokyseliny (cystein, serin, methionin) ‡

„ „

10-30 % celkové S)

polysacharidy a lipidy vazby C-S-H, C-O-S, C-N-S

Zjednodušený koloběh síry

O - oxidace R - redukce H - hydratace D - dehydratace A - zásoba sirných sloučenin v geologických sedimentech, v půdě a atmosférické zdroje

181

Koloběh S v půdě

Přeměny síry v půdě Adsorpce/desorpce SO42-: ‡ ‡ ‡

zejména hydratované oxidy Fe a Al jílové minerály, organické komplexy vliv pH (max. při 3-4,5), formy Fe/Al minerálů a OH

Oxidace/redukce anorganické S: ‡ ‡

vliv redox podmínek působení půdních mikroorganismů „

Thiobacillus, Arthrobacter, Pseudomonas, Desulfovibrio

H2S + 2O2 ↔ H2SO4 ↔ 2H+ + SO422S + 3O2 + 2H2O ↔ 2H2SO4 ↔ 4H+ + 2SO42-

Formy S v závislosti na pH a pe

182

Přeměny síry v půdě Mineralizace/imobilizace organické S: ‡ ‡

mikrobiální procesy mineralizace - enzymy sulfatázy

Precipitace sulfidů Volatilizace Odběr rostlinami Vyplavování, eroze, smyv

Rozdíl mezi smrkovým a bukovým porostem (Havel et al. 1996, in Hruška a Cienciala, 2001) (kg S ha-1 r-1)

Srážky 15

15

Podkorunové srážky 65 !!! 23 Smrk

Buk

Celková atmosf. depozice S a N DEPOZICE S Nízká Střední Vysoká Velmi vys,

<10 kg ha-1 10-15 15-20 >20

DEPOZICE N Nízká Střední Vysoká Velmi vys,

<5 kg ha-1 10-10 10-15 >15

183

Koncentrace SO2 ve vzduchu v ČR - roční průměry, mg m-3

Zdroj: ČHMÚ

Roční depozice S v ČR - g m-2 r-1

Zdroj: ČHMÚ

Sádrovcové půdy ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

vysoký obsah sádrovce obvykle suché oblasti (S. Afrika, Střední Východ, Španělsko aj.) vysoká elektrická vodivost nízký osmotický potenciál (silně záporný) pH 4 - 9 vliv na chemické, fyzikální i biologické vlastnosti půdy „ obtížné využití

184

Kyselé síranové půdy ‡

vznikají při vysokém obsahu sulfidů (pyritu) jeho oxidací „ „ „

mořská pobřeží (pod mangrovníky) rašeliny výsypky

4FeS2 + 15O2 + 14H2O → 8H2SO4 + 4Fe(OH)3 2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2H2SO4 + 2FeSO4 ‡ ‡

méně často vznikají v důsledku elementární S nebo jiných sulfidických minerálů extrémně kyselé půdy (pH 1 – 5)

VÁPNÍK V PŮDĚ ‡

v půdách v průměru 0,057 (0,0001 – 32) %

Formy výskytu: ‡ ‡ ‡ ‡

plagioklasy, pyroxeny kalcit, dolomit, anhydrit, sádrovec fosfáty Ca2+ - výměnný a v roztoku

Vlastnosti: ‡

‡

hlavní výměnný kation v půdě ⇒ ústojná a neutralizační schopnost ⇒ tvorba struktury živina

Koloběh a přeměny vápníku v půdě

185

Vápník v půdě Zdroje: ‡ ‡ ‡ ‡

zvětrávání matečních hornin vápnění spady rostlinné zbytky

Přeměny: ‡ ‡ ‡ ‡

zvětrávání adsorpce/desorpce příjem organismy vyluhování, eroze, smyv

Vztah mezi pH půdy a obsahem výměnných a poutaných kationtů

Bilance Ca v lesní půdě (Hultberg a Ferm, 2004) 20. století

186

Bilance Ca v lesní půdě (Hultberg a Ferm, 2004) 21. století

Jehlice a větve odklizeny.

Jehlice a větve ponechány.

HOŘČÍK V PŮDĚ ‡

v půdách běžně 0,83 (0,005-16) %

Formy výskytu: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

olivíny, pyroxeny, amfiboly, slídy jílové minerály (vermikulit, chlorit) karbonáty organické sloučeniny Mg2+ - výměnný a v roztoku

Vlastnosti: ‡ ‡ ‡

živina mobilní - snadno se vyluhuje chování a formy podobné jako Ca

DRASLÍK V PŮDĚ ‡

v půdách v průměru 1,83 %

Formy výskytu: ‡ ‡ ‡ ‡

primární minerály - živce, slídy halogenidy, sírany jílové minerály (illit; sorpce, fixace) ion K+ v sorpčním komplexu a v půdním roztoku

Zdroje: ‡ ‡ ‡ ‡

zvětrávání minerálů rostlinné zbytky hnojiva spady

187

Přeměny draslíku v půdě Zvětrávání Adsorpce a desorpce Fixace - až 1,5- 4,0 mmol/100g

Uvolňování Příjem organismy Rozklad organické hmoty Eroze, vyplavení, smyv

SODÍK V PŮDĚ ‡

v půdách v průměru 1,09 %

Formy výskytu: ‡ ‡

živce, slídy halogenidy, sírany

Vlastnosti: ‡

Na+ je větší než K+ „ vyšší pohyblivost, snazší vyluhování

Význam: ‡ ‡

rozpad půdní struktury alkalické půdy – slance (solonce)

KŘEMÍK V PŮDĚ ‡ ‡

v půdách průměrně 33 % (25-44) % „ 2. nejvíce zastoupený prvek (po O) v půdním roztoku 3,5-40 mg.l-1

Formy výskytu: ‡ ‡ ‡ ‡

křemen živce, slídy jílové minerály amorfní kyselina křemičitá

Přeměny při půdotvorných procesech: ‡ ‡

podzolizace lateritizace (desilikace)

188

ŽELEZO V PŮDĚ ‡ ‡

v půdách průměrně okolo 3,8 (0,7-55) % přeměny na základě oxidačně redukčních podmínek: Fe2+ ↔ Fe3+ „ barevné změny změna mobility (Fe2+ > Fe3+) vysoká afinita k tvorbě organických komplexů a chelátů „

‡

Mobilní formy Fe: ‡ ‡ ‡ ‡

malý podíl mobilních forem více v redukčních podmínkách Fe3+, Fe(OH)2+, FeOH2+, Fe2+, Fe(OH)3-, Fe(OH)42běžně 30-550 µg.l-1 (extrém: > 2000 µg.l-1)

Závislost forem Fe na pH Fe2+

‡ ‡

Fe3+

kyselé půdy – až toxické koncentrace Fe alkalické půdy – nedostatek přístupného Fe

Minerály Fe v půdě ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

‡ ‡

hematit – αFe2O3 – aridní, semiaridní a trop. oblasti maghemit – γFe2O3 – vysoce zvětralé p. trop. oblastí magnetit – Fe3O4 – vázán na maghemit, zděděný ferihydrit – Fe2O3.nH2O – běžný, ale nestabilní goethit – αFeOOH – nejběžnější Fe minerál v půdě, mírné až tropické pásmo lepidokrokit – γFeOOH – špatně odvodněné půdy (např. rýžová pole) a půdy mírného vlhkého pásma (nízké pH, nízká t, bez Fe3+) ilmenit –FeTiO3 – zděděný, není běžný pyrit – FeS2, sulfid železnatý – FeS, jarosit – KFe3(SO4)2(OH)6 - zatopené p. s obsahem S

189

Aktivita forem Fe v závislosti na pH

Přeměny Fe v půdě Zvětrávání ‡

např. hnědnutí

Oxidace a redukce: ‡ ‡

redukce - při oglejení a glejovém procesu chemický či biologický proces „ oxidace - železité bakterie: Thiobacillus ferroxidans, Leptospirum ferroxidans, Gallionella aj. „ redukce - Alternaria, Clostridium, Fusarium, Pseudomonas aj.

Přeměny Fe v půdě Rozpouštění a srážení Příjem rostlinami a mikroorganismy Uvolnění mineralizací Vymývání ‡

např. při illimerizaci a podzolizaci

190

MANGAN V PŮDĚ ‡

v půdách průměrně 0,085 (0,01-0,4) %

Formy výskytu: ‡ ‡

‡ ‡ ‡ ‡

v horninách jako Mn2+, zčásti jako Mn3+ oxiduje na Mn4+ - málo rozpustný „ v půdním roztoku jako hexa-aquo ion Mn(H2O)62+ Mn3+ je málo stabilní – příjem nebo ztráta elektronu oxidy (pyroluzit, vernadit – MnO2), hydroxidy uhličitany noduly, konkrece

Přeměny Mn v půdě ‡ ‡ ‡ ‡

podobné chování jako Fe, při nízkém pH je pohyblivější koncentrace v p. roztoku: 1-100 µM váže jiné kovy – Co, Ni, Cu, Zn, Mo oxidy Mn mohou řídit oxidaci As, Cr, V, Se, Hg, Pu

Oxidace a redukce: ‡ ‡

Mn2+ ↔ Mn4+ oxidace: Leptothrix, Arthrobacter, Metallogenium, extracelulární enzymy redukce: Geobacter, Shewanella, Desulfovibrio „ zvýšení mobility „ snížení KVK, Mn2+ soutěží o sorpční místa

Stabilitní diagramMn

191

HLINÍK V PŮDĚ ‡

v půdách průměrně 7,1 (1-30) %

Formy výskytu: ‡ ‡ ‡

silikáty – primární i sekundární (jílové minerály) oxidy, hydroxidy (gibbsit) ionty - aluminohexahydroniový kationt [Al(H2O)6]3+

!!! většina Al vázána v půdních minerálech !!! metamorfóza Al - oktaedr

zvětrávání

Al - tetraedr

Vlastnosti a chování Al v půdě ‡ ‡

amfoterní; snadná hydrolyzovatelnost a polymerace přítomnost kladných nábojů v hydroxylovaných a hydratovaných polymerech Al(OH)3 „ adsorpce aniontů v půdách „ povrchové povlaky na jílových minerálech „ vazba organických kyselin v půdě

Reakce: ‡ ‡ ‡

s anionty (fluoridy, sírany, fosforečnany…) s organickou hmotou polymerace „ AlO4Al12(OH)24(H2O)127+ , tzv. Al13

Hlavní faktory chování Al v půdě ‡ ‡ ‡

‡ ‡ ‡ ‡ ‡

povaha Al půdní reakce organická hmota „ poutání Al „ inhibice hydrolýzy sorpční charakteristiky iontová síla půdního roztoku přítomnost ostatních kationtů (Ca2+, Mg2+, P5+ aj.) klimatické vlivy porost

192

Přeměny forem Al v závislosti na pH Al(H2O)63+ + H2O

↔ Al(OH)(H2O)52+ + H3O+

Al(OH)(H2O)52+ + H2O

↔ Al(OH)2(H2O)4+ +

Al(OH)2(H2O)4+ + H2O

↔ Al(OH)3(H2O)30 + H3O+

H3O+

pH (6,2 – 6,5) Al(OH)3(H2O)30 + H2O

↔ Al(OH)4(H2O)- + H3O+

alkalické pH

Gibbsit: K = [Al3+] . [OH-] = 1,9 . 10-33

Formy Al v závislosti na pH

Pufrační schopnost půdy – úloha Al

193

Vztah mezi pH půdy a obsahem výměnných a poutaných kationtů

Reakce Al s anorganickými anionty Sírany:

[Al(H2O)5 OH]2+ + SO 4 2− → [Al(H2O)4 (OH)SO 4 ] + H2O ‡

polymerace, vznik vícejaderných komplexů:

[Al(H2O)5 OH]2+ + [Al(H2O)4 SO4 ]+ → OH → [ (H2O)5 Al ‡

OH

Al(H2O)4SO4]2+

při velmi kyselé reakci: +

Al3+ + CaSO 4 ↔ AlSO 4 + Ca2+

Reakce Al s anorganickými anionty Fluoridy: ‡

zvětrávání fluoritu apod. Al3+ + F- ↔ AlF2+ Al3+ + 2 F- ↔ AlF2+ Al3+ + 3 F- ↔ AlF30

Fosforečnany: ‡

chemosorpce P Al3+ + 2 OH- + H2PO4- ↔ Al(OH)2H2PO4

K = 3.10-29

194

Převládající formy Al v půdním roztoku Podmínky

pH 4

pH 5

Al3+

Al(OH)2+

Přítomnost síranů (5 mmol.l-1 H2SO4)

AlSO4+ Al3+

AlSO4+ Al(OH)2+

Přítomnost fluoridů

Al3+ AlF2+

Dominuje AlF2+

Nepřítomnost síranů a fluoridů

Stabilitní diagram minerálů Al a Si

Stabilitní diagram minerálů Al a Si

195

Interakce Al s organickými látkami ‡ ‡ ‡

jednoduché alifatické kyseliny (citronová, jablečná aj.) fenoly a fenolové kyseliny huminové kyseliny a fulvokyseliny „ velká schopnost tvořit stabilní komplexy

Typy vazeb mezi Al a OH: ‡ ‡ ‡

vazby na funkční skupiny vodíkové můstky pravé komplexy

V kyselých půdách je až 75 % nekrystalického Al v organických komplexech!

Toxicita forem hliníku v půdě Minerální • Alumosilikáty a jiné minerály nejvíce toxický • Iontová podoba: Al3+ [Al(H2O)63+] toxický Al(OH)2+ toxický Al(OH)2+ toxicita zanedbatelná Al(OH)4toxický [AlO4Al12(OH)24(H2O)12]7+ .... Al13 netoxické • Nízkomolekulární komplexy (s F-, SO42-, aj.)

Organické

netoxické

• Komplexy s nízkomolekulárními látkami • Komplexy s vysokomolekulárními organickými kyselinami

Toxicita Al Al13 >> Al3+ > Al(OH)2+> Al(OH)2+ > Al(OH)4- >> AlSO4+

Důležité faktory: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

poměr Ca/Al nebo BC/Al v půdním roztoku půdní reakce množství a složení OH v půdě stáří rostliny (mladé orgány jsou citlivější) tolerance rostliny

196

Toxicita Al Hlavní mechanismy toxicity Al: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

kompetice s Ca2+ a Mg2+ inhibice replikace DNA inhibice syntézy cytokininu změna struktury buněčné membrány nedokonalá funkce kořenů inhibice aktivity enzymatických systémů (kyselé fosfatázy, nitrátreduktázy atd.) změna AE metabolismu na AN vysrážení sloučenin P v kořenech

Model aktivního vylučování Al3+ kořeny pšenice Možné mechanismy (červené šipky): 1. Al3+ reaguje přímo s proteinovým aniontovým kanálem; 2. Al3+ reaguje s receptorovým proteinem (R) vázaným na membrány, který potom aktivuje aniontový kanál 3. Al3+ aktivuje aniontový kanál nepřímo možná přes receptorový protein a kroky zahrnující rozpustné prostředníky. Tok malátu přes mebránu je vyrovnáván tokem K+, příp. dalších kationtů.

Schéma speciace Al v půdě

197

Speciace Al metodou HPLC/IC (Drábek et al., 2003) 1.2

Al3+

Absorbance

1 0.8 0.6

Al(X)2+

Al(X)2+

0.4 0.2 0 2

4

6

8

10

12

Čas (min)

Speciace Al v půdě (výluh 0,5M KCl, HPLC; Drábek et al., 2003) 10,4 mg.kg-1

9,2 mg.kg-1

715,7 mg.kg-1

100% 80% 60% 40% 20% 0% A

B

Orná půda Al(X)+

A

B

Travní porost Al(X)2+

A

B

Les Al3+

RIZIKOVÉ PRVKY (RP) V PŮDĚ Označení: ‡ ‡ ‡

potenciálně rizikové prvky stopové prvky (78) těžké kovy (kovy, > 5 g.cm-3; 38)

Hlavní formy výskytu v půdě: ‡ ‡ ‡ ‡

minerály kationty oxyanionty vázané na organickou hmotu „ „

cheláty, organické komplexy organokovové sloučeniny

Nejnebezpečnější: As, Cd, Cu, Hg, Ni, Pb a Zn

198

Převládající formy RP v půdě a jejich vliv na rostliny a živočichy Prvek

Formy

Vliv

As

AsO43-

toxický pro rostliny i živočichy

Be

Be2+

toxické pro rostliny i živočichy

Cd

Cd2+

toxický pro živočichy

Co

Co2+

Cr

Cr3+, CrO42-

živina pro rostliny i živočichy živina pro živočichy, Cr6+ karcinogenní

Cu

Cu2+

Hg

Hg2+, (CH3)2Hg

Mo

MoO42-

živina pro rostliny i živočichy, toxický pro r. i ž. živina pro rostliny i živočichy, toxický pro r. i ž.

živina pro rostliny i živočichy, toxická pro r. i ž. toxická pro živočichy

Ni

Ni2+

Pb

Pb2+

Se

SeO42-

Sn

Sn4+

živina pro živočichy, toxický pro ž.

Zn

Zn2+

živina pro rostliny i živočichy, toxický pro r. i ž.

toxické pro rostliny i živočichy živina pro živočichy, toxický pro rostliny i ž.

Předpokládané převládající formy RP v p. roztoku a nejtoxičtější specie (Adriano, 2001) Prvek

Kyselé půdy

Alkalické půdy

Tox. specie

Ag(I)

Ag+, AgCl0

Ag+

Ag+

As(III)

As(OH)3

AsO33-

As(V)

H2AsO4-

HAsO42-

AsO43-

B(III)

B(OH)3

B(OH)4-

B(OH)3

Be(II)

Be2+

Be(OH)3-, Be(OH)42-

Be2+

Cd(II)

Cd2+, CdSO40, CdCl-

Cd2+,CdCl-, CdSO40, CdHCO3+

Cd2+

Co(II)

Co2+, CoSO40

Co(OH)20,

Co2+

Cr(III)

Cr(OH)2+

Cr(OH)4-

Cr(VI)

CrO42-

CrO42-

Cr6+

Cu(II)

Cu2+, CuCl-, fulváty

CuCO30, CuHCO3+

Cu2+ CH3Hg+

Hg(II)

Hg2+, HgCl20, CH3Hg+

Hg(OH)20

Mn(II)

Mn2+, MnSO40

Mn2+,MnSO40,MnCO30,MnHCO3+

Mn2+

Mo(V)

H2MoO40, HMoO4-

HMoO4-, MoO42-

MoO42-

Předpokládané převládající formy RP v p. roztoku a nejtoxičtější specie (Adriano, 2001) Prvek

Kyselé půdy

Alkalické půdy

Ni(II)

Ni2+, NiSO40, NiHCO3+

NiCO30, NiHCO3+, Ni2+

Tox. specie Ni2+

Pb(II)

Pb2+, PbSO40, PbHCO3+

PbCO30, PbHCO3+, Pb(CO3)22-, PbOH+

Pb2+ ?

Sb(III)

Sb(OH)2+, Sb(OH)3

Sb(OH)4-

Se(IV)

HSeO3-

SeO32-

Se(VI)

SeO42-

SeO42-

Tl(I)

Tl+

Tl+

Tl(III)

Tl(OH)30

Tl(OH)4-

V(IV)

VO2+

V(V)

VO2+, polymery

VO2(OH)2-, VO3(OH)2-

?

Zn(II)

Zn2+, ZnSO40

ZnHCO3+, ZnCO30, Zn2+, ZnSO40

Zn2+

SeO42-

199

Původ RP v půdě litogenní (geogenní) antropogenní

‡ ‡

„ „ „ „

‡ bodové x rozptýlené (difusní) zdroje průmyslové aerosoly tekuté a pevné odpady zvířat a lidí těžební odpady průmyslové a zemědělské chemikálie aj.

(pedogenní)

‡

Určení původu: profilová distribuce plošné rozložení podíl mobilních forem isotopické složení

‡ ‡ ‡ ‡

Profilová distribuce Pb (mg.kg-1) Geogenní obohacení

Antropogenní znečištění

0-15

0-15

30-40

30-40

50-60

50-60

0

1000

2000

3000

4000

0

500

1000

1500

Obsah RP v materiálech vnášených do půdy (mg.kg-1 v sušině; Kabata-Pendias a Pendias, 1992) Prvek

Kaly

P-hnojiva

Vápence

N-hnojiva

Hnůj

Pesticidy

As

2-26

2-1200

0,1-24

2,2-120

3-25

22-60

Cd

2-1500

0,1-170

0,04-0,1

0,05-8,5

0,3-0,8

-

Co

2-260

1-12

0,4-3,0

5,4-12

0,3-24

-

Cr

20-40600

66-245

10-15

3,2-19

5,2-55

-

Cu

50-3300

1-300

2-125

<1-15

2-60

12-50 0,8-42

Hg

0,1-55

0,01-1,2

0,05

0,3-2,9

0,09-0,2

Mo

1-40

0,1-60

0,1-15

1-7

0,05-3

-

Ni

16-5300

7-38

10-20

7-34

7,8-30

-

Pb

50-3000

7-225

20-1250

2-27

6,6-15

60

Se

2-9

0,5-25

0,08-0,1

-

2,4

-

Zn

700-49000

50-1450

10-450

1-42

15-250

1,3-25

200

Relativní podíl antropogenních zdrojů RP v zemědělských půdách UK (Adriano, 2001) As

Cd

Pb

Cr

Hg

Hnůj

Cu

Zn

Ni

Atm . depozice

Kaly

Prům . odpady

Hnojiva

Střední hodnoty a běžné rozsahy obsahů RP v půdách světa (mg.kg-1; Bowen, 1979) Prvek

Medián

Rozsah

Prvek

Medián

As

6

0,1-40

Ag

0,05

Rozsah 0,01-8

Cd

0,35

0,01-2,0

Ba

500

100-3.000 0,01-40

Co

8

0,05-65

Be

0,3

Cr

70

5-1.500

Cs

4

0,3-20

Cu

30

2-250

Ga

30

0,4-300 20-600

Hg

0,06

0,01-0,5

Rb

100

Mo

1,2

0,1-40

Sn

4

1-200

Ni

50

2-750

Sr

250

4-2.000 150-25.000

Pb

35

2-300

Ti

5.000

Se

0,4

0,01-12

U

1

0,9-9

Zn

90

1-900

V

90

3-500

Doba setrvání RP v půdě (Bowen, 1979) Cd – 75-380 let Hg – 500-1000 let Ag, Cu, Ni, Pb, Se, Zn – 1000-3000 let -

v mírném klimatu (v tropech kratší doby)

x úplné odstranění je téměř nemožné!!!

201

Průměry obsahů RP v půdách světa (mg.kg-1; Kabata-Pendias a Pendias, 1992) RP

Podzoly Kambisoly (písčité p.) (hlinité p.)

Rendziny

Kaštano- a černozemě

Histosoly (org. p.)

Světový medián

As

4,4

8,4

-

8,5

9,3

6

Cd

0,37

0,45

0,62

0,44

0,78

0,06

Co

5,5

10

12

7,5

4,5

8

Cr

47

51

83

77

12

100

Cu

13

23

23

24

16

20

Hg

0,05

0,1

0,05

0,1

0,26

0,03

Mo

1,3

2,8

1,5

2

1,5

2

Ni

13

26

34

25

12

40

Pb

22

28

26

23

44

10

Se

0,25

0,34

0,38

0,33

0,37

0,2

Zn

45

60

100

65

50

50

Přeměny RP v půdě ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

adsorpce a desorpce rozpouštění a precipitace vázání organickými látkami tvorba anorganických a organických komplexů okluze, difuse do mřížky minerálů příjem organismy vypařování (Hg, metylované kovy) transport

Míra zadržení v půdě: Pb > Sb > Cu > Cr > Zn > Ni > Co > Cd

Stabilitní diagram kovů

202

Vazby kovů na EDTA v závislosti na pH

Stabilita komplexů kovů s organickými ligandy

Formy RP v půdě „ „ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

‡

definované spíše operačně (způsobem stanovení) význam pro mobilitu, přístupnost

vodorozpustné (v půdním roztoku) výměnné organicky vázané okludované na oxidech železa a manganu v definovaných sloučeninách „ uhličitany, sulfidy, fosforečnany vázané ve struktuře silikátů (zbytková, reziduální frakce)

203

Faktory chování a speciace RP v půdě ‡

vlastnosti daného prvku „

‡

„ „ „ „ „

‡ ‡

půdní reakce, oxidačně redukční podmínky přítomnost iontů obsah a kvalita organické hmoty jílové minerály, oxidy železa, hliníku a manganu a další minerály zrnitost půdy

biologické faktory klimatické podmínky „

‡

zdroj, forma, vazba, náboj, iontový poloměr, afinita k OH apod.

půdní faktory

srážky a výpar, teplota

činnost člověka

Rozdělení organicky vázaných forem TK mezi HK a FK (Příbramsko) 100%

HK2 80%

60%

FK2

40%

HK1

20%

FK1 0%

C

Cd

Pb

Zn

Mechanismy tvorby komplexů RP s huminovými látkami (Senesi, 1992)

204

Schema postupné (sekvenční) extrakce podle Tessiera et al. (1979) Krok

Extrakční činidlo (ml/g)

Proces, teplota

Frakce

1

1 M MgCl2 (pH 7,0; 8 ml)

1 h třepat

výměnná

2

1 M NaOAc (pH 5,0 HOAc; 8 ml)

5 h třepat

uhličitanová

3

0,04 M NH2OH.HCl v 25% HOAc (pH ~ 2,0; 20 ml) 30% H2O2/HNO3 (pH ~ 2) a poté NH4OAc

6 h při oxidy Fe a Mn 96±3°C, občasné míchání organicky 85±2°C vázaná

4 5

HF/HClO4 (2:1) (jako celkový obsah)

reziduální

Schema postupné (sekvenční) extrakce podle Sposita et al. (1982) Krok

Extrakční činidlo

Doba třepání (teplota)

Extrahovaná frakce

16 h

výměnná

třikrát 2 h

sorbovaná

1

0,5 M KNO3

2

deionizovaná voda

3

0,5 M NaOH

16 h

organická

4

0,05 M Na2EDTA

6h

uhličitanová

5

4 M HNO3

16 h (80°C)

sulfidová

Schema postupné (sekvenční) extrakce podle Ure et al. (1993) Krok Extrakční činidlo (ml/g)

Proces

Extrahovaná frakce vodorozpustná, výměnná, uhičitanová oxidy Fe a Mn

1

0,11 M HOAc (40 ml)

16 h třepat

2

0,1 M NH2OH.HCl (pH 2 HNO3; 40 ml) rozklad 30% H2O2 a poté NH4OAc/HOAc (pH 5; 50 ml)

16 h třepat 16 h třepat

3 4

HCl + HNO3 (3 : 1)

organická + sulfidy reziduální

205

Měď - Cu ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

jeden z nejméně mobilních prvků v půdě nejvíce ve ferralsolech (oxisolech), fluvisolech nejméně v podzolech a organosolech konc. v půdním roztoku: 3-135 µg.l-1 (tj. 0,047-2,125 µM) formy v půdě: „ „

Cu+, Cu2+, CuOH+, CuCO3, Cu(CO3)22-, Cu(OH)3-, Cu(OH)42-, CuO22-, HCuO2-, CuO kyslíkové můstky: Cu-O-Fe, Cu-O-Al, Cu-O-Mn

Stabilitní diagram Cu

Adsorpce Cu půdními složkami v závislosti na pH

206

Zinek - Zn ‡ ‡ ‡

nejvíce v aluviálních půdách, solončacích, rendzinách nejméně v lehkých půdách snadno mobilizovatelný: „

‡

formy v půdě: „

‡

konc. v půdním roztoku: 4-270 µg.l-1 (tj. 0,061-4,130 µM) Zn2+, ZnOH+, ZnHCO3+, Zn(OH)2, ZnO, ZnCO3, Zn5(OH)6(CO3)2, Zn3(PO4)2.H2O, ZnCl42-, Zn(OH)3-, ZnO22-

vazby hlavně na oxidy Fe a jíl. minerály

Předpokládané tozdělení forem Zn v roztoku v závislosti na pH

Stabilitní diagram Zn

207

Kadmium - Cd ‡ ‡ ‡

nejvíce v organických půdách nejméně v podzolech velmi mobilní (nejvíce při pH 4,5-5,5) „

‡

formy v půdě: „

‡

konc. v půdním roztoku: 0,2-6 µg.l-1 (tj. 0,002-0,053 µM) Cd2+, CdCl+, CdOH+, CdHCO3+, CdCl3-, CdCl42-, Cd(OH)3-, Cd(OH)42-, CdO, CdCO3, org. cheláty

vazby hlavně na jíl. minerály

Rozdělení forem Cd v roztoku v půdě s obsahem karbonátů v závislosti na pH

Sorpční isotermy Cd v závislosti na zrnitosti a pH

208

Olovo - Pb ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

málo mobilní vazby na karbonáty, jíl. minerály, oxidy Fe a Mn a org. hmotu (imobilizace) při vyšším pH precipitace (karbonáty, fosforečnany, hydroxidy…) Pb2+ může nahradit K, Ba, Sr, Ca v minerálech i na sorpčních místech významné antropogenní vstupy izotopové poměry pro určení původu

Stabilitní diagram Pb

Rozdělení forem Pb v roztoku v závislosti na pH

209

Chrom - Cr ‡ ‡ ‡

nejvíce na serpentinitech nejméně v písčitých a organických půdách Cr3+: většinou převládá „ „ „ „

‡

Cr6+: toxický „

‡

podobnost s Fe3+ a Al3+ - možná náhrada mobilní při nízkém pH, precipitace při pH ~ 5,5 i v podobě smíšených oxidů s Fe3+ CrOH2+ snadno rozpustný – snadná redukce na Cr3+

anionty: CrO42-, CrO33„

chromany – sorpce na jíl. minerály a hydratované oxidy

Stabilitní diagram Cr

Rozdělení forem Cr3+ v roztoku v závislosti na pH

210

Kobalt - Co ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

nejvíce v kambisolech a rendzinách nejméně v podzolech a organosolech geochemie podobná jako u Fe a Mn nejčastěji v různých minerálech Fe sorpce na oxidy Mn, Fe a jíl. minerály „

na oxidech Mn – specifická sorpce – výměna za Mn2+

Molybden - Mo ‡

formy v půdě: „ „

‡ ‡ ‡

při neutrálním a slabě alkalické reakci - molybdenany (MoO42-) při nízkém pH – HMoO4-

snadná koprecipitace s org. hmotou, CaCO3 a jiným kationty sorpce na hydratované oxidy Fe, Al, Mn a na org. hmotu při pH < 5,5 málo přístupný

Rozdělení forem Mo v roztoku v závislosti na pH

211

Stabilitní diagram Mo

Nikl - Ni ‡ ‡

nejvíce v rendzinách, kambizemích a kaštanozemích mobilní formy: „ „ „ „

‡ ‡

Ni2+ - relativně stabilní v roztoku NiOH+, HNiO2-, Ni(OH)3rozpustné cheláty (mobilizace z oxidů a karbonátů) běžně 3-25 µg.l-1

koprecipitace s oxidy Fe a Mn vázán organickou hmotou

Rtuť - Hg ‡

formy v půdě: „ „ „ „ „

‡ ‡

nejvíce jako slabě mobilní organokomplexy v roztoku převládá Hg(OH)2 – snadná sorpce chloridové komplexy se poutají hůř Hg0, Hg2+, Hg22+, Hg2+, HgOH+, Hg(OH)2, HgS22-, HgCl42-, HgCl-, RHg+, R2Hg (R= -CH3, -CH2CH3, -C6H5) v kyselých glejových půdách jako Hg0, HgS

vazby hlavně na org. hmotu těkavá

212

Rozdělení forem Hg v roztoku v závislosti na pH

Rozdělení forem Hg v roztoku v závislosti na koncentraci Cl-

Stabilitní diagram Hg

213

Arsen - As ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

nejméně v lehkých půdách, zvl. na granitických horninách nejvíce v aluviálních a organických půdách nejběžnější mobilní formy: AsO2-, AsO43-, HAsO42-, H2AsO3-, chování arseničnanů (AsO43-) podobné jako fosforečnanů sorpce na jíl. minerály, org. hmotu vysoká afinita k povrchu (hydr)oxidů Fe

Stabilitní diagram As

Selen - Se ‡

formy v půdě: „ „ „

‡

mobilita v půdě: „ „ „

‡

při vysoké koncentraci Ca a Mg: CaSeO4, MgSeO4 v kyselém prostředí: KHSe, NH4HSe, MnSe Se0, SeO42-, SeO32-, Me[Se, SeO, SeO3, SeO4], Se2-, HSeO3-, HSe-, (CH3)2Se, (CH3)2Se2 kyselé glejové p. – selenidy – malá mobilita dobře odvodněné p., pH neutrální – seleničitany – fixace na (hydr)oxidy Fe – nízká mobilita alkalické, oxidované p. – selenany – snadno rozpustné, málo fixované – nejvyšší mobilita

v některých chudých půdách - nedostatek

214

Selen – Se Vliv půdních podmínek na tvorbu rozpustných forem Se (Elrashidi et al., 1987) Redox hodnota (pe + pH) Vysoká (17)

Střední (12)

Nízká (4)

pH

Hlavní specie v půdním roztoku

7

SeO42-

<2

HSeO4-,

>7

SeO32-

<7,3

HSeO3-

>3,8

HSe-

<3,8

H2Se0

selenany H2SeO3seleničitany

selenidy

Stabilitní diagram Se

Další prvky Li ‡ ‡

nejméně v lehkých org. půdách, nejvíce ve vápnitých p. vazba na Ca a Mg, podobné chování

Rb ‡ ‡

nejméně v rašelinách, lehkých org. půdách, nejvíce na žulách, rulách a v aluviálních p. vazba na K

Cs ‡

podobnost Rb, vyšší afinita k alumosilikátům - radioisotop

‡ 137Cs

215

Další prvky Be, Sr, Ba ‡ ‡

podobné chování jako Ca (a Mg) obvykle vázány na uhličitany

Be ‡

může nahradit Al aj. kationty v montmorillonitech

Sr ‡ ‡

velmi podobné chování jako Ca; tvoří cheláty 90Sr – nebezpečný radionuklid

Ba ‡ ‡ ‡

snadná precipitace (s SO42-, CO32-) sorpce na jíl. minerálech, v Mn a P konkrecích specifická sorpce na oxidech a hydroxidech

Stabilitní diagram Be

Další prvky Sn ‡ ‡ ‡

v silně kyselých půdách – Sn2+ rozpuštěný se chová podobně jako Fe a Al tvoří organické komplexy

Ge ‡ ‡

B ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

vazba na jíl. minerály, oxidy Fe a org. hmotu Ge(OH)4 esenciální – mikroživina BO2-, B4O72-, BO32-, H2BO3-, B(OH)4sorbován pevněji než ostatní anionty náhrada za Al3+ a Si4+ v jíl. minerálech sorpce na jíl. minerály a seskvioxidy (Al>Fe)

216

HALOGENY Fluor - F ‡ ‡ ‡

‡

‡

nejméně v L půdách humidních oblastech, více v T půdách může nahrazovat –OH skupiny v minerálech minerály: „ fluoroapatit – Ca10(PO4)6F2 – nejběžnější „ fluoridy (CaF2, AlF3), aluminosilikáty (např. Al2(SiF6)2) mobilita: „ faktory mobility – jílové minerály, pH, konc. Ca a P „ mobilní F je snadno sorbován jíl. minerály a P „ v kys. p. ji může zvyšovat NaF, KF, NH4F „ ve vápnitých. p. – málo rozpustný CaF2, málo rozpustné komplexy s Fe, Al, Si „ v sodných půdách – vysoká mobilita díky Na komplexní ionty s Al – řízení aktivity Al3+

Halogeny Chlór - Cl ‡ ‡ ‡

Cl- a komplexní Cl ionty mobilní – vyplavování nejvíce: solonce, solončaky, blízko moří

Bróm - Br ‡ ‡

podobné chování jako Cl, snadné vyluhování vazba na org. hmotu, sorpce na hydroxidy Al a Fe a na jílové minerály

Jód - I ‡ ‡ ‡ ‡

podobný Br, všechny sloučeniny snadno rozpustné sorpce na org. hm., jíl. minerály, hydratované oxidy Al a Fe v roztoku: I-, IO3-, méně I3-, IO-, H4IO6isotopy: 129I – přírodní, 127I – v okolí atom. elektráren

RADIONUKLIDY V PŮDĚ ‡

různé isotopy přirozeného i antropogenního původu „ Ce, Cs, Kr, Pu, Ra, Rn, Ru, Th, U aj. „ I, Co, Fe, Zn „ Ba, C, H, P, S

Formy výskytu: ‡ ‡

kationty, oxyanionty, halidy organické komplexy a sloučeniny

Chování: ‡ ‡

běžné reakce a procesy podle chemické a fyzikální povahy radioaktivní rozpad

217

Přehled nejvýznamnějších radionuklidů Isotop

Poločas rozpadu 5760 let 5,27 r.

14C 60Co 134Cs

2,06 r. 30,1 r. 12,3 r. 8,1 d.

137Cs 3H 131I 40K 222Rn 90Sr 235U 238U

Zdroj / význam kosmogenní, jaderné reaktory a výbuchy

jaderné reaktory a výbuchy

1,3 x 109 r. 3,8 d. 29 let

všudypřítomný, pozaďové záření inertní plyn (proudění), pozaďové záření jaderné reaktory a výbuchy

7,1 x 108 r. 4,5 x 106 r.

jaderné zbraně a reaktory, zdroj Rn

CIZORODÉ ORGANICKÉ LÁTKY V PŮDĚ POXL = persitentní organické xenobiotické látky

Původ - převážně antropogenní: „ „ „ „ „

zpracování ropy a ropné produkty odpadní kaly, vody a jiné odpady pesticidy aj. ochranné přípravky rozpouštědla, detergenty atmosférický spad aj.

Nežádoucí působení: ‡ ‡ ‡

toxicita pro organismy vstup do potravního řetězce kontaminace podzemní vody

Chování organických polutantů v půdě Faktory: – vlastnosti POXL: ‡ ‡ ‡ ‡

rozpustnost a mobilita sorbovatelnost rozložitelnost toxicita

Procesy: ‡ ‡ ‡ ‡

„ „

– vlastnosti půdy: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

zrnitost, obsah jílu pH obsah a kvalita OH sorpční schopnosti biologická činnost

akumulace sorpce a desorpce příjem organismy rozklad

„

‡ ‡ ‡

chemický rozklad biodegradace fotolýza

odpaření vymytí smyv a eroze

218

Příklady organických funkčních skupin podle citlivosti k hydrolýze Rezistentní

Snadno hydrolyzovatelné

Alkany, alkeny

Alkyl halidy

Benzen, difenyly

Amidy, aminy

PAU, ClU (PCB)

Karbamáty

Aromatické aminy

Estery karboxylových kyselin

Alkoholy, fenoly, éthery

Epoxidy, nitrily

Aldehydy, ketony

Estery kyseliny fosforečné

Karboxylové kyseliny

Estery kyseliny sírové

Skupiny organických cizorodých látek a jejich příklady Pesticidy: ‡

insekticidy „

‡

„

‡

2,4-D, triazin, alachlor, metobromuron

nematocidy „

‡

DDT, dieldrin, karbofuran

herbicidy

ethylen bromid, DCP

fungicidy „

chlorothalonil

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU): ‡

benzo(a)pyren, fenanthren, xylen

Skupiny organických cizorodých látek a jejich příklady Polychlorované aromatické uhlovodíky: ‡ ‡ ‡

PCB fenoly polychlorované dioxiny a furany „

2,3,7,8-TCDD

Rozpouštědla: ‡

benzen, toluen

219

Skupiny organických cizorodých látek a jejich příklady Uhlovodíky: ‡

alkany „

benzín, kerosen, nafta apod.

Ostatní: ‡ ‡ ‡ ‡

povrchově aktivní látky silikony syntetické tuky plasty

Biologická rozložitelnost organických polutantů v AE podmínkách Snadná: „ „ „ „

ropné uhlovodíky (benzen, toluen, etylen, xylene, benzín) těkavé org. sloučeniny (tri- a perchloretylen) pesticidy organická rozpouštědla

Obtížná: „ „

PCB PAU

Hlavní sledované organické polutanty v ČR Monocyklické aromatické uhlovodíky (MAU): ‡

benzen, toluen, xylen, styren, ethylbenzen

Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU): ‡ ‡ ‡

fluoranthen, pyren, fenanthren, anthracen benzo(b)fluoranthen, benzo(k)fluoranthen, benzo(a)anthracen, benzo(a)pyren, indeno(cd)pyren benzo(ghi)perylen, chrysen, naftalen

Chlorované uhlovodíky (ClU): ‡

PCB, HCB, DDT, DDE, DDD, HCH a jejich metabolity

Nepolární uhlovodíky

220

Model chování pesticidů v půdě (BPS) E(Y) = b0+ b1X1+ b2X2+b3X3 + b4X4 b0 = absolutní člen b1 = regresní koeficient pro jíl (< 0,002 mm) b2 = regresní koeficient pro KVK b3 = regresní koeficient pro pHKCl b4 = regresní koeficient pro Corg

Model chování pesticidů v půdě (BPS) Vstupní údaje: ‡ ‡ ‡

databáze charakteristik pesticidů databáze charakteristik půdních typů (dle horizontů) databáze klimatu

Výstupy: ‡ ‡

distribuční koeficienty pesticidů v půdních profilech rozložení koncentrace pesticidů v jednotlivých hloubkách půdního profilu v jednotlivých dnech po aplikaci

Kd - values for herbicide Atrazine in the Topsoil of Czech Republic soils Kd - values for Atrazine 0 - 2.5 2.5 - 5 5 - 7.5 7.5 - 10 10 - 15 15 - 25

Praha

25

0

25

50

75

100 125 150 175 Kilometers

221

Kd - values for herbicide Atrazine in the Subsoils of Czech Republic soils Kd - values for Atrazine < 2.5 2.5 - 5 5 - 7.5 7.5 - 10 10 - 15 > 15

20

0

20

40

60

80 Kilometers

KONTAMINACE PŮDY Rizikové prvky: ‡ ‡

přirozený i antropogenní původ nemohou být zcela rozloženy

Cizorodé organické látky: ‡ ‡

převážně antropogenní původ možnost rozkladu (mikroorganismy)

Ostatní: ‡ ‡

radioaktivita zasolení, dusičnany …

Kontaminace půd Funkce půdy z hlediska chování polutantů: ‡

‡

‡

filtrační „ zadržení pufrační „ imobilizace, omezení přístupnosti transformační „ mineralizace OL „ přeměna forem RP

222

Kontaminace půd Druhy kontaminace: ‡ ‡

bodová rozptýlená (difusní)

Indikace kontaminace: ‡ ‡ ‡ ‡

mikrobní činnost rostlinné indikátory magnetometrické metody (RP) chemické analýzy

problém: nízká specifičnost

Kritéria kontaminace půdy Nutno zohlednit: ‡

potenciální nebezpečí „

‡

„ „

‡

půda – rostlina – zvíře – člověk využití půdy (zemědělská p., lesní p., hřiště, POV …)

půdní vlastnosti: „ „

‡

fyto-, zoo-, humanotoxicita

transferovou cestu

půdní druh, organická hmota pH, sorpční vlastnosti

použité analytické metody

Jednoduchá kritéria: ‡

vyhl. MŽP č. 13/1994 Sb.

Maximálně přípustné obsahy prvků v půdách dle vyhlášky MŽP č. 13/1994 Sb. Prvek

Celkový obsah (mg.kg-1)

Výluh 2M HNO3 (mg.kg-1)

lehké půdy

ostatní

lehké půdy

ostatní

As

30,0

30,0

4,5

4,5

Be

7,0

7,0

2,0

2,0

Cd

0,4

1,0

0,4

1,0

Co

25,0

50,0

10,0

25,0

Cr

100,0

200,0

40,0

40,0

Cu

60,0

100,0

30,0

50,0

Hg

0,6

0,8

-

-

Mo

5,0

5,0

5,0

5,0 25,0

Ni

60,0

80,0

15,0

Pb

100,0

140,0

50,0

70,0

V

150,0

220,0

20,0

50,0

Zn

130,0

200,0

50,0

100,0

223

Kritéria kontamince půdy Vícestupňová kritéria: Preventivní hodnoty (A) ‡ vycházejí z pozaďových hodnot (RP) a antropogenně difusních hodnot (POXL) ‡ určeny statisticky Indikační hodnoty (B) ‡ mez kontaminace (max. přípustný obsah) ‡ na základě ekotoxikologických studií a analýzy rizik Asanační hodnoty (C) ‡ též intervenční, akční hodnoty, mez intoxikace ‡ významné nebezpečí, nutnost zásahu (asanace, remediace)

Kontaminace půdy v ČR Nejproblémovější oblasti (RP i POXL): ‡ ‡ ‡ ‡

fluvizemě – Labe, Morava aj. severní a severozápadní Čechy severní Morava okolí Prahy

Rizikové prvky: Příbramsko (Pb, Zb, Cd …) ‡ Kutnohorsko (As) ‡

Kontaminace půdy v ČR Relativní podíl vzorků s nadlimitním obsahem (% celkového počtu vzorků; zdroj - ÚKZÚZ)

%

1,4

Cd

1,2 1

Ni

0,8

Cr

0,6

Cu

0,4 0,2

Be

Co

Pb Zn

Hg

V

0

224

MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF CZECH REPUBLIC: Element - Zn Content Low Medium low Medium Increased High Non classified

30

0

30

60

90

120 Kilometers

MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF CZECH REPUBLIC: Elements - Co, Cr, Ni, V , Mn, Cu

Scale 1:1.300.000

Content very low low medium low medium high very high extremes non classified Rivers Towns

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF THE CZECH REPUBLIC Element - Cd

Content very low low medium low medium high very high extremes non classified Rivers Towns

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

225

MAP OF BACKGROUND CONTENTS OF TRACE ELEMENTS IN SOILS OF CZECH REPUBLIC: Elements - Pb and Be

Legend Low Medium High Non classified

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

Zranitelnost (vulnerabilita) půdy vůči znečištění Vulnerabilita půdy: ‡ ‡

pufrační schopnost půdy odolávat kontaminaci x kontaminace – skutečné zatížení půdy založena na: „ mobilitě rizikových prvků „ příjmu RP rostlinami „ půdních vlastnostech

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY ZINC AND NICKEL

Legend Extreme Very severe Severe Increased Mild Slight Very slight Non classified Rivers Towns

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

226

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY CADMIUM

Legend Extreme Very severe Severe Increased Mild Slight Very slight Non classified

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY COPPER Legend Very severe Severe Medium Slight Very slight Non classified

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY LEAD

Legend Very severe Severe Medium Slight Very slight Non classified

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

227

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY BERYLIUM

Legend Very severe Severe Medium Slight Very slight Non Classified

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY ARSENIC Legend Very severe Severe Slight Very slight Non classified

50

0

50

100

150

200 Kilometers

MAP OF SOIL VULNERABILITY TO POLLUTION BY CROMIUM Legend Severe Slight Very slight Non classified Rivers Towns

30

0

30

60

90

120 Kilometers

Scale 1:1.300.000

228

REMEDIACE PŮDY ‡

cesta k odstranění poškození půdy a obnově jejích základních funkcí Æ odstranění příčin problému (prevence) Æ ošetření následků

‡

z angl. remedy = napravit, dát do pořádku = lék, léčebný prostředek, náprava, pomoc Æ náprava stávajícího stavu

Rozdělení remediačních metod Podle místa provedení ‡ ‡

na místě (in situ) dekontaminace odtěžené zeminy (excavated methods, ex situ) - omezeno výměrou, zpravidla dražší (transport) „ on site x off site

Podle cíle ‡

stabilizační

‡

dekontaminační

„

„

omezení nebezpečnosti odstranění kontaminantu z půdy nebo jeho rozklad

Rozdělení remediačních metod Podle dopadu ‡

mírné (gentle)

‡

tvrdé (harsh)

„

„

základní funkce půdy se zachovají výrazné poškození půdy

Podle způsobu provedení ‡

(organizační)

‡

fyzikální

‡

chemické

‡

biologické (bioremediace)

229

Faktory volby remediace ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

‡ ‡ ‡ ‡ ‡

druh znečištění druh, množství a forma kontaminantu původ – zdroj a stáří znečištění závažnost znečištění velikost plochy a její využití účinnost a rychlost metod proveditelnost, technická a finanční náročnost možné důsledky použití metody místní podmínky, půdní vlastnosti a přírodní podmínky vlastnické a právní vztahy, zájmové skupiny…

Využívané vlastnosti polutantů ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

těkavost rozpustnost a polarita chemicko-tepelná (ne)stálost biologická rozložitelnost, přijatelnost sorpce a precipitace elektro-magnetické vlastnosti velikost, tvar, specifická hmotnost (hustota)

Remediace odtěžené zeminy Odstranění půdy a uložení na jiném místě Extrakce (vyluhování) „ 3 fáze: 1) míchání zeminy s činidlem

„ „

„

2) oddělení extraktu 3) ošetření extraktu činidla: anorg. kyseliny a hydroxidy, org. kyseliny a org. rozpouštědla, komplexotvorná činidla omezení: - pouze lehké půdy - poškození p. struktury, OH, mikrob. života… cena: $50-150/t

230

Remediace odtěžené zeminy Chemicko-tepelný rozklad „ 2 fáze: 1) zahřátí „

„

2) oxidace kontaminantů v plynné fázi použití:- těkavé organické l. (t ~ 200-700°C) - Hg, Se - teoret. As, Cd, Pb, Zn - t ~ >800°C cena: ~ $150/t

Zařízení pro chemicko-tepelnou remediaci půdy kontaminované PCB

Remediace odtěžené zeminy Separace, třídění „ „ „ „

hydrocyklóny – odstředění gravimetrická separace (vytřásadla apod.) proudové systémy na principu různé sedimentace magnetická separace

Solidifikace „

smíchání s materiálem na bázi cementu Î tvrdá neporézní hmota

Spalování (870-1200°C) Tavení, vitrifikace

231

Remediace na místě Přirozené zeslabení „ „ „ „

ponechání půdy bez zásahu postupné samovolné vyčištění (částečné) rozklad, sorpce, precipitace, vypaření aj. problémy – pohyb polutantů, příp. toxické meziprodukty, změny podmínek, dlouhodobost

Ředění „

smíchání s nekontaminovanou zeminou

Remediace na místě Extrakce promýváním „

„ „

3 fáze: 1) extrakce promýváním 2) zachycení a odčerpání extraktu 3) ošetření extraktu činidla: nejčastěji voda (popř. ředěné kyseliny, chelatační činidla, přídavky povrchově aktivních látek …) použití: - rizikové prvky, anionty - organické polutanty, radioaktivní látky - pouze lehké půdy s nepropustným podložím

Zpracování odpadu

Injektážní sonda

Kontaminovaná půda

Extrakční sonda

Injektážní sonda

Kontaminovaná podzemní voda

Proudění podzemní vody

Schéma zařízení pro dekontaminaci extrakcí

232

Remediace na místě Extrakce výparem těkavé organické látky Předpoklady: - těkavost polutantů - nízká vodorozpustnost nebo nízká vlhkost - kontaminace nad hladinou podzemní vody - propustnost půdy (písčité půdy)

„

Zařízení pro extrakci půdy výparem

Pasivní nebo aktivní vhánění vzduchu

Odsávač Filtry s aktivovaným uhlím

Betonový kryt Nenasycená zóna

Bentonitová vrstva Štěrkový filtr

Mřížka

Půdní vzduch

Kapilární zdvih Hladina podzemní vody

Remediace na místě Elektrokinetické procesy Princip: transport elektricky nabitých částic „ elektroosmosa (roztoky) „ elektroforéza (koloidy) „ elektrolýza (ionty, komplexy) Použití: in i ex situ, neničí půdu, i pro S a T půdy „ RP, radionuklidy, anionty (dusičnany, sírany, kyanidy) „ ropné uhlovodíky, PCB, PAU Možno kombinovat s: „ bioremediací, oxidací aj. degradací, fixací, extrakcí „ přídavkem povrchově aktivních látek aj. Cena: $10-100/m3

233

Povrch půdy

Elektroosmotický tok

Degradační zóna

Kontaminovaná Degradační půda zóna

Schéma zařízení pro elektroosmotickou remediaci Pozn.: Elektroosmotický tok lze obrátit změnou polarity elektrod.

Vakuový odsávač

Zásobník elektrolytu

Anodová extrakční nádrž

Schéma zařízení pro remediaci půdy elektrolýzou

Voda nasycená těžkými kovy

Vakuový odsávač

Čistá voda

Katodová extrakční nádrž

_ Zdroj energie +

Pryskyřice - iontová výměna

Půda kontaminovaná těžkými kovy

Pohyb iontů Anoda Katoda Polní elektrody

Remediace na místě Degradace „ „ „

chemická degradace (hydrolýza, oxidace/redukce apod.) fotolýza – fotochemická transformace biodegradace

Imobilizace „ „

úprava půdních vlastností (např. úprava pH) půdní přídavky (aditiva): - jednoduché sloučeniny - sulfidy, karbonáty, fosforečnany… - anorganické sorbenty – zeolity, bentonity, jílové minerály, Thomasova struska, goethit, ocelové piliny, apatity aj.

- organické sorbenty – statková hnojiva, komposty,

sláma, kaly, aktivované uhlí, syntetické pryskyřice - komplexotvorná činidla (EDTA, tetren)

234

Mikrofotografie hydroxyapatitu (vlevo) a CaHPO4 (vpravo), samostatně (nahoře) a po reakci s 500 mg Pb.l-1 (dole).

Remediace na místě Solidifikace – cement, sádra, silikáty, pryskyřice, asfalt Vitrifikace - přeměna na skelnou hmotu „ „ „ „

pomocí silného el. proudu (4 elektrody) ~1600-2000°C odsávání těkavých produktů z povrchu ~ $140-290/m3

Izolace - jílové vrstvy, bariéry, zdi, zakrytí půdy Reaktivní bariéry „ „

mají rozložit polutanty pohybující se horizontálně s podzemní vodou důležité: poloha, orientace a tloušťka bariér

Bioremediace = využití organismů pro remediaci půd Procesy: Biodegradace - odbourání vysokých obsahů kontaminantů Biotransformace - přeměna kontaminantu na méně nebezpečné formy

Přístupy: „ „ „ „

přirozené zeslabení (bez zásahu) stimulovaná mikrobní aktivita inokulace specifickými mikroorganismy ošetření specifickými enzymy

235

Bioremediace - metody „Land farming“ „ „ „

rozprostření kontaminované půdy v tenké vrstvě biodegradace, biotransformace + ředění zvláště pro pesticidy

Kompostování „

zvýšení mikrobiální činnosti

Bioreaktory – ex situ Provzdušňování půdy (Bioventing) „ „ „

vhánění vzduchu do nenasycené půdy podpora a urychlení přirozených procesů může být doplněno přídavky (živiny aj.)

Stimulovaná biodegradace – provzdušňování (bioventing)

Fytoremediace = využití vyšších rostlin pro remediaci půd Fytostabilizace a fytoimobilizace „ „

vegetační pokryv k omezení eroze a vyplavení možno doplnit přídavky do půdy

Fytovolatilizace „

převedení polutantů (např. Hg, Se) do těkavých forem pomocí rostlinných enzymů

Fytotransformace „

rozklad polutantů v metabolismu rostlin

Fytoextrakce „

postupné odčerpání kontaminantu rostlinami

236

Fytoextrakce a) Přirozená: -

hyperakumulační rostliny

b) Indukovaná: -

použití chemických sloučenin pro zvýšení příjmu RP

- zejména chelatační činidla (EDTA, DTPA, kys. citronová…)

Výhody: „

poměrně nízká cena (~ $17-100 za m3), šetrnost k ŽP

Problémy a omezení: „ „ „ „ „

dlouhodobost možný přenos kontaminantů zavádění nepůvodních organismů likvidace biomasy pouze pro mělké znečištění (20-100 cm)

Fytoextrakce Porovnání příjmu kovů mezi hyperakumulační a neakumulující rostlinou Neakumulující rostlina

Hyperakumulátor

Přístupný kov

Čas

Nepřístupný kov

Zásoby odebrané rostlinami Tato hranice závisí na druhu rostliny a růstových podmínkách

Thlaspi caerulescens (Zn, Cd, Pb aj.)

237

Reakce Thlaspi caerulescens na zvýšení obsahu zinku v půdě

Přízemní růžice Thlaspi caerulescens

Salix viminalis

Hyperakumulační kapradiny (Pteris vittata)

238

ACIDIFIKACE PŮDY Největší problém v ČR: ‡

lesní půdy horských oblastí

Příčiny: ‡ ‡ ‡ ‡

mateční horniny tvorba CO2 vymývání bazických složek srážkovou vodou tvorba kyselin v půdě

Příčiny acidifikace ‡ ‡ ‡ ‡

mateční horniny vymývání bazických složek srážkovou vodou tvorba CO2 tvorba kyselin v půdě

Příčiny acidifikace: … atmosférická

depozice S a N

Roční depozice S v ČR [g m-2 r-1]

Zdroj: ČHMÚ

239

Příčiny acidifikace: … atmosférická

depozice

Roční depozice protonů (H+) v ČR [g m-2 r-1]

Zdroj: ČHMÚ

Příčiny acidifikace: … nevhodné

druhové složení lesů (%)

Druh

stávající

přirozený

smrk borovice modřín jedle ostatní jehličnany

54,3 17,5 3,4 0,9 1,1

11,2 3,4 0,0 19,8 0,3

Jehličnany celkem

77,2

dub buk bříza olše habr jasan lípa javor ostatní listnaté

Celkem listnaté

6,1 5,6 3,0 1,3 1,2 1,0 0,9 0,7 1,5

21,3

34,7 19,3 40,1 0,8 0,6 1,5 0,6 0,8 0,7 0,2

64,6

Příčiny acidifikace: … způsob

hospodaření v lesích

240

Acidifikace ve světě (UNEP, 1992)

Zastoupení kategorií zemědělských půd podle půdní reakce v ČR (%) %

50 40 30 20

Orná půda

Silně alkalické

Alkalické

Slabě kyselé

Kyselé

Silně kyselé

Etrémně kyselé

0

Neutrální

10

Travní porosty

Reakce půdy na okyselování Neutralizace (pufrování): ƒ rozpouštění minerálů ƒ reakce na OH

Pokles pH Citlivost půdy závisí především na: ƒ minerálním složení (fosforečnany, uhličitany…) ƒ obsahu bazických kationtů ƒ množství a kvalitě organické hmoty

241

Citlivost půdy k acidifikaci Vysoká citlivost (zranitelnost): ƒ podzoly, kambisoly ƒ andosoly

Nízká citlivost: ƒ vápenaté půdy (rendziny, černosoly)

Parametry citlivosti: Parametr

Nejméně citlivé

Nejvíce citlivé

Půda

Rendzina

Podzol

Hornina

vápenec

žula

Teploty

vysoké

nízké

Srážky

nízké

vysoké

Přirozená citlivost půd ČR k antropogenní acidifikaci (Hruška et al., 2002)

Narušenost půd acidifikací (Hruška et al., 2002) Míra Přirozená Atmosfér. Oblasti narušení citlivost depozice Extrémní velmi vysoká

vys. nebo Jizerské hory, Krkonoše, Z část Krušných hor, vrcholová část velmi Orlických hor, Jeseníků a Kralického vysoká Sněžníku

vysoká

velmi vys. V části Krušných hor

Silné

velmi vysoká

nízká

část Šumavy, Novohradské hory, Český les, Slavkovský les, Moravskoslezské Beskydy, Rychlebské h., Žďárské vrchy, Brdy

Střední

malá

střední

Českomoravská a Drahanská vysočina, Nízký Jeseník

Mírné

odolné

střední

nížiny a střední oblasti ČR

242

Poškození půd ČR acidifikací (Hruška et al., 2002)

Důsledky acidifikace půdy ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

‡

zvýšené zvětrávání půdních minerálů ztráta živin (Ca, Mg, K) uvolňování labilních (potenciálně toxických) forem Al zvýšení rozpustnosti rizikových prvků omezený rozvoj kořenů ƒ toxicita Al (nízký poměr Ca/Al nebo BC/Al v p. roztoku) ƒ nedostatek Mg (rychlý růst díky N) ƒ vyšší zranitelnost škodlivými činiteli změny mikrobiálních společenstev a biologické aktivity

Možná řešení acidifikace Prevence: ‡ ‡ ‡

omezení emisí změny druhového složení porostů změna způsobu hospodaření a těžby

Náprava – chemická meliorace: ‡

‡ ‡

vápnění ƒ rychlá účinnost (povrchová vrstva) x vyšší mineralizace, “up-rooting” stromů aplikace sádrovce ƒ snížení acidity hlubších vrstev, vstup Ca bazické minerální moučky ƒ mírnější účinek, dodávka živin x k dosažení srovnatelného účinku je třeba velký objem

243

POUŽITÁ LITERATURA Adriano D.C. (2001): Trace Elements in Terrestrial Environments. Biogeochemistry, Bioavailability, and Risks of Metals. 2nd edition. Springer-Verlag, New York. Brady, N.C., Weil, R.R. (1999): The Nature and Properties of Soils. 12th edition. Prentice Hall, New Jersey. Duchaufour, Ph. (1995): Pédologie. Sol, végétation, environnement. 4e édition. Masson, Paris. Hruška, J., Cienciala, E. (eds.) (2001): Dlouhodobá acidifikace a nutriční degradace lesních půd – limitující faktor současného lesnictví. MŽP ČR, Praha. Kabata-Pendias A., Pendias H. (1992): Trace Elements in Soils and Plants. 2nd edition. CRC Press, Boca Raton. Kozák, J., Němeček, J., Matula, S., Valla, M., Borůvka, L. (2002): Pedologie. Skriptum ČZU Praha. Lal, R. (ed.) (2002): Encyclopedia of Soil Science. Marcel Dekker, New York. Lindsay, W.L. (1979): Chemical Equilibria in Soils. John Wiley & Sons, New York. Němeček, J., a kolektiv (2001): Taxonomický klasifikační systém půd České republiky. ČZU, Praha. Pavel, L., Beneš, S., Brunclík, O., Jurča, V., Kozák, J., Svoboda, V., Valla, M., Vlk, K. (1983): Geologie a půdoznalství. Skriptum VŠZ Praha. Pierzynski, G. M., Sims, J. T., Vance, G. F. (2000): Soils and Environmental Quality. 2nd Ed. CRC Press, Boca Raton. Sparks, D.L. (ed.) (1996): Methods of Soil Analysis, Part 3 – Chemical Methods. SSSA Book Series: 5, SSSA-ASA, Madison, Wisconsin. Sparks, D.L. (ed.) (1999): Soil Physical Chemistry. Second Edition. CRC Press, Boca Raton. Sposito G. (1996): The Environmental Chemistry of Aluminium. CRC Press, Boca Raton. Sumner, M.E. (ed.) (2000): Handbook of Soil Science. CRC Press, Boca Raton. Šimek, M. (2003): Základy nauky o půdě. 1. Neživé složky půdy. Skriptum JU, České Budějovice. Šimek, M. (2003): Základy nauky o půdě. 3. Biologické procesy a cykly prvků. Skriptum JU, České Budějovice.

244

OBSAH Předmluva

1

Úvod (definice půdy, její význam a funkce)

2

Složení půdy Minerální složka půdy (zrnitost, půdní minerály, jílové minerály)

7

Fyzikální vlastnosti půdy Půdní struktura Pórovitost půdy Voda v půdě Vzduch v půdě Tepelné poměry v půdě

22 26 30 45 48

Půdní organická hmota Rozpustné organické látky

56 65

Chemické vlastnosti půdy Koloidní systém půdy Půdní reakce Půdní roztok Půdní sorpce Redox procesy v půdě Chemická rovnováha v půdě

68 72 76 78 84 89

Biologické vlastnosti půdy Půdní organismy Rhizosféra

91 98

Vznik a vývoj půdy, klasifikace půd Vznik a vývoj půdy – půdotvorné procesy Klasifikace půdy Diagnostické horizonty Taxonomický klasifikační systém půd: Leptosoly Regosoly Fluvisoly Vertisoly Černosoly Luvisoly Kambisoly Andosoly Podzosoly Stagnosoly Glejsoly Salisoly Natrisoly Organosoly Antroposoly 245

100 106 108 114 118 121 124 126 132 138 142 143 147 150 153 154 155 158

Chování a koloběhy prvků v půdě Uhlík v půdě Dusík v půdě Fosfor v půdě Síra v půdě Vápník v půdě Hořčík v půdě Draslík v půdě Sodík v půdě Křemík v půdě Železo v půdě Mangan v půdě Hliník v půdě Rizikové prvky v půdě Halogeny Radionuklidy v půdě Cizorodé organické látky v půdě

160 161 168 175 180 185 187 187 188 188 189 191 192 198 217 217 218

Chemická degradace půdy a možnosti nápravy Kontaminace půdy Remediace půdy Acidifikace půdy

222 229 239

Použitá literatura

244

246

Název:

Pedogeochemie

Autor:

Doc. Dr. Ing. Luboš Borůvka

Vydavatel:

Česká zemědělská univerzita Praze Katedra pedologie a geologie Rok vydání: 2005 Vydání: první Počet stran: 246 Počet výtisků: 10 Další distribuce na internetu Určeno:

pro studenty Přírodovědecké fakulty UK Praha

ISBN 80-213-1309-9