VODA V PŮDĚ
Pedogeochemie
Půdní voda = veškerá voda vyskytující se trvale nebo dočasně v půdním profilu (kapalná, pevná, plynná fáze)
4. přednáška
Bilance vody v půdě
Bilance vody v půdě ZZ + S + PPV + PPZ + K = E + T + OPV+ OPZ + ZK
Vstupy (zdroje)
srážky, kondenzace podzemní voda povrchový a podzemní přítok závlahy (voda z odumřelých kořenů a mikroorganismů)
Výstupy
vztah k půdotvorným procesům a k vegetaci hybná síla všech pochodů podmínka vzniku půdy a života v ní
povrchový a podzemní odtok evaporace transpirace
Retenční schopnost půdy
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
Půdní vlhkost = množství vody v půdě (v pórech)
1 ha hloubka pórovitost kapilární pórovitost
~0,7 m ~50 % ~50 %
10.000 m2 7.000 m3 3.500 m3 ~1.700 m3
θ = w⋅
Objemová vlhkost (θ) = 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
ρd ρw
Potenciál půdní vody
Potenciál půdní vody - složky
= 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
Gravitační potenciál - ϕg , hg
zemskou tíhou ϕg = g.z, příp. hg = z kde: g je tíhové zrychlení, z výška nad hladinou podzemní vody
energie vztažená na jednotku vody:
dán
na jednotku hmotnosti vody - Φ [J.kg-1] na jednotku objemu vody - [ Pa = N.m-2] na jednotku tíhy vody (hmotnost x g) - H [m]
určuje poutání a pohyb vody v půdě lze rozdělit na složky (dílčí potenciály)
Vlhkostní potenciál - ϕw , hw působení
j
j
rozdílných vlhkostí – matriční síly j k í tl k ( dtl k)
Potenciál půdní vody - složky
Potenciál půdní vody
Pneumatický potenciál - ϕa , ha
Celkový potenciál – Φ, H Φ = ϕg + ϕ w + ϕa + ϕe + ϕo
vnější
tlak plynů
Zátěžový potenciál - ϕe , he zatížení
půdy, deformace
Osmotický potenciál - ϕo , ho rozdíl
H = hg + hw + ha + he + ho
Tlakový (tenzometrický) potenciál - ϕp, hp
tlak měřený tenzometrem
ϕp = ϕ w + ϕa + ϕe
koncentrace rozpustných solí
Tenzometr
při záporném potenciálu půda poutá vodu
hp = hw + ha + he
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
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
Retenční čáry vlhkosti (pF křivky) = grafické zobrazení vztahu mezi vlhkostí půdy a vlhkostním potenciálem (resp. sacím tlakem nebo tlakovou výškou)
Tlaková výška h (cm) či pF (=log h)
Hystereze
vlhkost objemová θ (%)
Hystereze
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
Kategorie p. v.
převládají kapilární síly (adheze a koheze) výška vzlínání max. 2-3 m dělí se na vodu lehce a těžce pohyblivou (lentokapilární) se vzrůstající výškou klesá rychlost vzlínání
Kategorie půdní vody
Kapilární voda
Adsorpční voda
vzlínání
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
Adsorpční isotermy vody
Půdní hydrolimity
ADSORBOVANÁ VODA
(%)
= vodní charakteristiky (vlhkosti) vyjadřující vztahy půdy a vody a jejich změny charakterizovány: vlhkostí pF hodnotami (log tlakové výšky)
Základní hydrolimity
RELATIVNÍ TLAK PAR H2O (%)
objektivně existující půdní vláhové charakteristiky 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
Půdní hydrolimity aplikované Bod vadnutí - BV
minimální mez fyziologicky využitelné vody vlhkost, kdy jsou rostliny 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 množství vody, které je půda po nadměrném zavlažení schopna zadržet vlastními silami rozmezí mezi kapilární a gravitační vodou pF 2 – 2,8
Klasifikace půdní vody podle Drbala (1962)
Odsávací křivka neporušeného p. vzorku
Příčný řez kořenem obklopeným půdou ve vlhké (a) a suché (b) půdě
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 . ΔH/L = K . I kde: K – koeficient filtrace ΔH – rozdíl výšek hladin L – délka sloupce zeminy ΔH/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
Pohyb vody v nenasycené půdě
Pohyb vody v nenasycené půdě
Ustálené proudění
Neustálené proudění
lze také popsat Darcyho rovnicí:
v = - k . grad Φ kde: v – rychlost proudění k – koeficient nenasycené hydraulické vodivosti Φ – potenciál půdní vody
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
Mísitelné proudění
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
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
Infiltrace
= vsak vody do půdy
Rychlost infiltrace
specifický případ neustáleného proudění v nenasyceném prostředí rozhoduje o využití atmosférických srážek i závlahy závisí na: počáteční vlhkosti vlastnostech půdního povrchu (struktura) hydraulické vodivosti výskytu brzdících vrstev v profilu době trvání
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]
Infiltrace
Vodní režim půdy
Vodní režimy půdy – Soil Taxonomy
souhrn všech jevů vnikání vody do půdy, jejího pohybu a zadržování v půdě a unikání z půdy klasifikace podle koeficientu zavlažení (Glet, Rode):
Akvický (aquic)
Udický (udic)
KZ = S / V
(srážky / výpar) promyvný – KZ > 1 periodicky promyvný – KZ = 1 nepromyvný – KZ < 1 výparný – KZ << 1 bažinný závlahový - (KZ < 1)
Udický vodní režim – Soil Taxonomy
redukční podmínky, nepřítomnost O2 > 90 po sobě jdoucích dnů vlhké, < 45 psj. dnů suché perudický – srážky > výpar po celý rok
Ustický (ustic)
Aridní (aridic a torric)
Xerický (xeric)
přechod mezi aridním a udickým > polovinu roku suché, < 90 po sobě jdoucích dnů vlhké > 45 psj. vlhké (zima), > 45 psj. dnů suché (léto)
Vodní režimy
Humidita
perudický
udický
ustický
xerický
využití
nedostatek zavlažení
nadbytek aridní
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
zavlažení nadbytek využití nedostatek
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
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
Složení půdního vzduchu
Oxid uhličitý (CO2):
Oxid dusný (N2O):
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
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 %
Obsah vzduchu v půdě
Pohyb vzduchu v půdě
Vzdušné charakteristiky půdy:
doplněk vodních charakteristik
Provzdušenost:
momentální obsah vzduchu Vz = P – θmom
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
