Pedologie Půda je přírodní bohatství. Zákony na ochranu půdního fondu
Půda •
•
nově vzniklý přírodní útvar na styku geologických útvarů s atmosférou a povrchovou vodou zvětralá povrchová část zemské kůry, promísená se zbytky odumřelých rostlinných a živočišných organismů základní složka životního prostředí
•
biologicky oživená
• • •
oxidy, hydroxidy, organické látky křemen, silikáty, jílové minerály hydroxidy, jíly
•
Minerály – mají původ v mateční hornině – liší se chemickým složením – obsahují částice různých velikostí – tvoří přes 50 % objemu půdy Půdní voda – nezbytná pro růst rostlin – základní médium pro transport látek – nezbytná při čištění půdního prostředí chemicky vázaná hygroskopická kapilární gravitační
Organická hmota − malý podíl – velký význam z rozpadlých rostlin a těl živočichů, nebo syntézou činností Půdní vzduch půdních mikroorganismů – prostorově a časově velmi variabilní − stabilizuje strukturu půdy – má vysokou vlhkost − zvyšuje objem vody, které je půdy – vysoký obsah CO2 (0,2 % x 0,03 % v schopna vázat ve formě dostupné atmosféře – půdní dýchání pro rostliny – nízký obsah O2 − hlavní zdroj živin pro rostliny – provzdušněnost půdy - % zbývající pórovitosti nezaplněné vodou (optimum je − zdroj potravy a energie pro půdní organismy 30 %)
Vznik půdy Působení 1. Pedogenetické (půdotvorné) faktory 2. Pedogenetické (půdotvorné) procesy Půda se vyvíjí – další postupná změna již zformované půdy Půda podléhá metamorfóze – mění charakter působením půdotvorných faktorů (změna HPV, odvodnění – činnost člověka,..) Pedogenetické faktory 1. Půdotvorný substrát 2. Klimatické podmínky 3. Biologické faktory 4. Reliéf terénu 5. Činnost člověka 6. Čas
Pedogenetické faktory 1. Půdotvorný – matečný substrát 2. 3. 4. 5. 6.
Klimatické podmínky Biologické faktory Reliéf terénu Činnost člověka Čas
ovlivňuje vlastnosti vznikající půdy – zvětratelné a hůře zvětratelné horniny a zeminy – organické a organominerální látky zvětratelnost horniny má vliv – na konečnou hloubku půdy minerální složení má vliv na – na živinný režim – propustnost půdy většina našich půd vznikla ve čtvrtohorách – během střídání ledových a meziledových období
mateční substrát – organický → organogenní půdy (rašeliny) – anorganický → anorganogenní půdy • nesnadno zvětratelný – staré jíly a kyselé vyvřeliny • snadno zvětratelný – sypké sedimenty – spraše, sprašové hlíny, hlinité holocenní náplavy – zpevněné sedimenty – jílové břidlice, pískovce, slepence (zpevněné jílovým tmelem) – krystalické břidlice a vyvřeliny – ruly, svory, amfibolické břidlice, hadce, diabasy, gabra, čediče, trachyty atd.
Pedogenetické faktory 1.
Půdotvorný substrát
2. Klimatické podmínky 3. 4. 5. 6.
Biologické faktory Reliéf terénu Činnost člověka Čas
Pedogenetické procesy jsou silně ovlivňovány – vlhkostí – srážky, př. podzemní voda – teplotou – větrem Vlhkostní poměry prostředí charakterizují se srovnáním průměrných hodnot ročního srážkového úhrnu a ročního výparu (není měřen v dostatečném rozsahu) charakteristiky vlhkostních poměrů oblasti – údaje o srážkách a teplotách : → empiricky stanovené faktory
– dešťový faktor Langův • S – průměrný roční srážkový úhrn (mm) • T – průměrná roční teplota (°C) D S /T – pouště – hodnota 0 – extrémně vlhké oblasti – hodnota nad 160
– Mayerův kvocient
NS S / d
• d – sytostní doplněk – 200 (černozemní proces) – 600 (podzolový proces)
– Končekův index zavlažení
Iz
S S 10T 30 2 2
• S – úhrn srážek (mm) za celé vegetační období duben až září • ∆S – kladná odchylka množství srážek 3 zimních měsíců (prosinec až únor) od množství 105 mm (záporné hodnoty se neberou v úvahu) • T – průměrná hodnota celého vegetačního období duben až září (°C) • v – průměrná rychlost větru o 14. hodině (m/s) v celém vegetačním období duben až září Měření je dost náročné – nejrozšířenější je Langův dešťový faktor
Na vlhkosti je silně závislá – biologická aktivita půdy – intenzita chemických procesů Rozhoduje nejen množství vody v půdě, ale i vertikální směr pohybu vody v půdě (přibližně určen poměrem výparu ke srážkám) – Hs > Hv promyvný režim – ochuzování půdy – Hs < Hv výparný režim – zasolené půdy Velký vliv na pohyb vody má i rostlinný kryt – v lesních půdách • jarní prosakování intenzivnější – pozvolné tání – půda mělce promrzlá
Teplota – nepřímo • prostřednictvím vlhkosti
– přímo • ovlivňuje biologické a chemické procesy (rychlost roste s teplotou)
Vliv teploty a vlhkosti na vegetaci – změna původních porostů vlivem klimatických podmínek • zóny tundry, alpinskou, jehličnatých lesů, vřesovou, listnatých lesů, stepí suchých stepí, pouští, savan, tropických lesů apod.)
Prostřednictvím charakteristických porostů zprostředkované působení klimatu na vývoj půdy V porostech jednotlivých zón je rozličné mikroklima • vztah mezi půdním klimatem a mikroklimatem je mnohem užší než vztah půdy k makroklimatu
Konfigurace terénu – ovlivňuje hydroklima a místní klima Vítr – ovlivňuje hlavně erozi a srážky Intenzita záření – ovlivňuje teplotu
Pedogenetické faktory 1. 2.
Půdotvorný substrát Klimatické podmínky
3. Biologické faktory 4. 5. 6.
Reliéf terénu Činnost člověka čas
Oživení půdy je jednou z podmínek vzniku a existence půdy – mikroorganismy – baktérie, aktinomycety, plísně, řasy, prvoci – makroorganismy – vyšší flora a fauna Sterilní horniny – bakterie → řasy → lišejníky → …. → vegetace Vliv organismů • rozrušují svou činností celistvé horniny • přispívají ke vzniku nových minerálů • přeměňují organické zbytky na humus, zvětraliny se mísí s produkty činnosti všech organismů →
– malý koloběh minerálních látek – biologická sorpce Vegetace - vytváří mikroklimatické poměry
Půdní edafon – fytoedafon • aktinomycety, plísně, sinice a řasy – rozhodující vliv na mineralizaci a humifikaci – zčásti na zvětrávání substrátu – sinice a řasy – schopné fotosyntetické asimilace v povrchových vrstvách
– zooedafon • Mikrofauna - baktérie, prvoci – bičíkovci, kořenonožci, nálevníci • Mezofauna - členovci – roztoči, chvostoskoci, hlístice • Makrofauna - žížaly obohacují půdy slizy zkypřují ji – zlepšují strukturu (fyzikální vlastnosti) půd – larvy hmyzu nebo hmyz žijící pod zemí – plži a hlodavci
Význam při zvětrávání minerálů prostřednictvím organických kyselin a CO2 Speciální baktérie uvolňují např. – K z těžko rozpustných silikátů – kyselinu fosforečnou z fosfátů – oxidují železnaté sloučeniny na železité – koloběh síry • sirné baktérie S- → S → SVI- (SO42-) • SRB (org.l.) SVI- (SO42-) → S- bahenní plyn (CH4 + H2 S)
Koloběh dusíku – nitrifikační baktérie – rozpustné amonné soli na dusičnany • NH4+ → NO2- → NO3-
– denitrifikační baktérie • dusičnany redukovány až na molekulární dusík (v ulehlých půdách, při zamokření půdy, při nadbytku organických látek a zvláště při neúměrně vysokém množství dusičnanů) • NO3- → N2
– fixace molekulárního dusíku • rhizosférní mikroflóra (Azobacter) – mikrobi žijící v kořenovém systému rostlin volně a v symbióze s určitým druhem rostlin (bobovité n. motýlokvěté rostliny - jetel • ↓ N2 → NH4+
Sinice a řasy – schopnost fotosyntetické asimilace v povrchových vrstvách
Pedogenetické faktory 1. 2. 3.
Půdotvorný substrát Klimatické podmínky Biologické faktory
4. Reliéf terénu a podzemní voda 5. 6.
– – – –
Činnost člověka Čas
sklonem a tvarem svahů expozicí – jižní x severní svah nadmořskou výškou vlivem a hloubkou hladiny podzemních vod – geologická stavba krajiny
– vlhkost, tepelný režim – mocnost půdy a možnost translokace látek v půdě
Pedogenetické faktory 1. 2. 3. 4.
Půdotvorný substrát Klimatické podmínky Biologické faktory Reliéf terénu a podzemní voda
5. Činnost člověka 6.
Čas
Nepřímý vliv – změna vegetace • zemědělská činnost narušuje malý koloběh minerálních látek nadzemní části rostlin se jen v malé míře vracejí do půdy • snižování obsahu humusu – nutnost hnojení • pěstování vláhově náročných plodin → vysušování půdy → závlahy
– technická činnost změny v mikroklimatu » nádrže s velkou plochou » chladící věže exhaláty v ovzduší z průmyslu
Přímý vliv na určité půdní vlastnosti – – – – –
meliorace půdy pískování půd vápnění odvodnění a obecně regulace vodního režimu různé druhy orby a nakypřování podloží a zhutnělých horizontů
Pedogenetické faktory - vliv času 1. 2. 3. 4. 5.
Půdotvorný substrát Klimatické podmínky Biologické faktory Reliéf terénu a podzemní voda Činnost člověka
6. Čas Relativní stáří půdy a stupeň zralosti – posuzovány podle vývoje a diferenciace půdy na horizonty – mladé půdy – stěží rozeznáme jednotlivé horizonty
• 1 cm = 100 – 200 let • 20 cm = 7000 let
Pedogenetické procesy = výslednice působení půdotvorných faktorů
1. zvětrávání 2. humifikace 3. tvorba půdních horizontů Zvětrávání – – – –
snížení chemické a mechanické stability hornin mění se celistvost hornin i jejich chemické složené vznikají druhotné (sekundární) minerály některé prvky • se mohou uvolňovat • v rozpustných formách podléhat přemístění • mohou unikat ve formě plynů do atmosféry
Zvětrávání – fyzikální – teplo, voda, vítr a vegetace • různé koeficienty roztažnosti – led – trhliny • krystalizační síly • bobtnání a vysychání – jílové frakce – narušování substrátu
– chemické – mění se původní složení horniny • působí – kyseliny, kyslík, CO2, voda a organismy • krystalické mřížky minerálů jsou narušovány – úplně – ze zbytků se tvoří sekundární minerály • hydrolýza, hydratace, oxidace (Fe, Mn), redukce (zamokření), karbonatizace, rozpouštění
– biologické • vznik organických a anorganických kyselin • mikrobiální činnost
Půdotvorné procesy 1.
zvětrávání
2. humifikace 3.
tvorba půdních horizontů
Střídání anaerobních a aerobních podmínek, při kterých dochází k biodegradaci, kondenzaci a polymeraci. Humus = zdrojem jsou odumřelé organické látky obsažené v půdě bez ohledu na jejich živočišný, rostlinný nebo mikrobiální původ – složky původní organické hmoty - primární – produkty životní činnosti mikroorganismů - primární – organická hmota přeměněná humifikačním pochodem - sekundární Celkové množství humusu v půdě – ztráta žíháním – stanovení obsahu organického uhlíku
Humus obsahuje – nespecifické humusové látky (nehuminové nebo též primární) – pochází přímo z odumřelých těl organismů • energetická a živinná zásoba půdy • podmínka biologické aktivity – lehce rozložitelné sacharidy, pektiny, bílkoviny, aminokyseliny, ligniny, třísloviny, tuky, vosky, pryskyřice
– specifické humusové látky (humusové nebo též sekundární) – vznikají činností MO z primárních • • • •
pomalu rozložitelné vliv na fyzikálně chemické vlastnosti půdy (tmavé zabarvení) – přírodní tmely vzdušný a vodní režim sorpce
Základní složky humusových látek – třídění podle • • • •
molekulární hmotnosti rozpustnosti elementárního složení reakční skupiny, koloidní vlastnosti
1. Humusové kyseliny 1. fulvokyseliny 2. huminové kyseliny 3. hymetamelanové kyseliny
2. 3. 4. 5. 6.
Soli humusových kyselin Huminy Humusové uhlí Ligniny Bituminy
čím starší tím vyšší tím menší tím více C ztrácí koloid. vlast.
Humusové kyseliny Fulvokyseliny – žluté • schéma složení podobné jako u huminových kyselin – těžko stanovit hranici • menší stupeň polymerace • nižší obsah C, vyšší podíl O2 a COOH • lepší rozpustnost ve vodě – ve vodním výluhu převažují Huminové kyseliny – hnědé – makromolekulární látky, které se v roztoku chovají jako koloidy, – jednotlivá jádra jsou navzájem spojena buď C aromatických jader nebo vodíkovými můstky můstek
jádro Hymetamelanové kyseliny – nejstarší – vysoká molekulová hmotnost reakční skupina – chovají se jako koloidy – jsou schopny transportu – rozpustné v OH-
Soli humusových kyselin –
je-li vodík nahrazen kationtem – Ca Mg, Na, K, NH4, Al, Fe
Huminy – – – – –
vyšší stupeň polymerace snížená koloidní aktivita nehydrolyzovatelné, nerozpustné pevně spojené s minerální složkou opakované provlhčení-prosychání, dehydratace a dekarboxylace → vznik humusového uhlí
Humusové uhlí – – –
kompaktní, karbonizovaná hmota nerozpustná, bez koloidní aktivity bohatá na C
Ligniny – – –
způsobují dřevnatění buněčných stěn M.h. 100 000 špatně rozložitelné
Bituminy – –
vlastnosti půd ovlivňují jen nepatrně uhlovodíky, vosky, tuky a pryskyřice (podzoly)
Souhrně • • • • •
aromatické sloučeniny – jádro, můstek reakční skupina – karboxyl, karbonyl, hydroxyl sloučeniny fenolického a chinoidního charakteru proton karboxylu – výměna za kation – iontoměnniče stupeň kondenzace a polymerace závisí na teplotních poměrech v půdě
Půdotvorné procesy 1. 2.
zvětrávání humifikace
3. tvorba půdních horizontů
Půdní profil – vertikální profil obsahující všechny půdní horizonty Půdní horizonty – vrstvy, v nichž se půdní vlastnosti odlišují od sousedních vrstev Automorfní půdy (terrestrické) • vznikají bez přítomnosti podzemní vody • translokace pouze vertikálním směrem, půdní horizonty
Hydromorfní půdy (hydrické) • půdy vznikající pod vodou • omezená migrace látek, probíhá všemi směry, bez horizontů
Autohydromorfní půdy (semiterrestrické) • vlivem kolísání hladiny pozemních vod je střídavě pod vodou a mimo dosah podzemní vody
Eluviace - vymývání, ochuzování → eluviální horizont • vyluhování rozpustných solí Na a K • degradace – posun CaCO3 – Ca2+ nahrazován H+ → okyselování horizontu • posun nízkomolekulární humusových látek (fulvokyselin) • řádově vyšší hydraulická vodivost
Translokace – přemísťování půdních koloidů • vertikálním směrem • laterálním směrem – pokud je podzemní voda, tak ve směru proudění • dochází k horší hydraulické vodivosti – nižší pórovitost vlivem cementace pórů sesquioxidy – minerální tmely • až 2x více obsahu jílovité frakce • neutrální až slabě kyselé prostředí
Luvizace – hromadění → iluviální horizont • hromadění eluviovaných a translokovaných částic
Vliv průsaku srážkových vod – promyvný režim Hs > Hv – mírný průsak •
–
posun karbonátů → karbonátový horizont – poprašky, výplně dutin, žilky
intenzivnější průsak • odvápnění horního horizontu • translokace půdních koloidů (anorganických částic a jílové frakce) → hromadění v iluviálním horizontu = illimerizace
Podzolizace – nejintenzivnější translokace v kyselém prostředí – destrukce minerálů (včetně Al a Fe) – při špatné kvalitě humusu často posun humusu až do iluviálního horizontu Pseudoglejový a glejový proces – hydromorfní pochody – nadměrný obsah vody v půdě • •
–
glejový –trvale vysoká hladina podzemních vod pseudoglejový – důsledek nízké hydraulické vodivosti a vydatných srážek
→ redukční procesy – mají za následek • • • •
rozpad a resyntézu jílovitých materiálů rozpad mikrostruktury půdy snížení pórovitosti vysoká ulehlost
Zasolení → solončaky, slance – výparný režim Hs < Hv – výparný vodní režim, minerální látky v podzemní vodě vzlínají – transport solí k povrchu – více jak 0,2 % solí v půdě – mohou vznikat i nadměrnou závlahou nevhodnou vodou – odstranění – promývání půdního profilu – hlouběji nebo odvod meliorací do recipientu
Textura půdy = charakterizovaná zrnitostním složením (procentuálním zastoupením půdních částic různé velikosti) Pro základní určení této veličiny se používají pojmy: • štěrk • písek • hlína • prach • jíl STRAHLER & STRAHLER (2003)
koloidy tak malé, že nemají význam Na základě textury půd rozlišuje tzv. půdní druhy. V běžné zemědělské praxi se rozlišují tři základní půdní druhy (skupiny půd, které mají zhruba stejné zastoupení zrnitostních frakcí): o Půdy lehké (písčité) – dobře propouští vodu o Půdy středně těžké (hlinité) o Půdy těžké (jílovité) – vodu zadržuje
Půdní zrnitost = kvantitativní zastoupení zrn různých velikostí v půdě – čára zrnitosti
sítová analýza
Význam • pro rostlinnou skladbu – písčité – ostřice, metlice, brambory, žito – hlinité – cukrová řepa, ječmen – jílovité – rákos • pro kultivační úpravy - pískování jílovitých půd • pro odhad hydraulických charakteristik půd
Struktura půd -
fyzikální vlastnost půdy vyjadřující způsob uspořádání tuhých pevných částic, tzv. agregátů v půdě. Je charakterizována velikostí částic (agregátů) a pórů Jedná se o polydisperzní systém – soustava mikro- a magroagregátů
Ped (pedony) – půdní element mikro < 0,25 mm mezo 0,25 – 10 mm makro > 10 mm Spojující činitelé -
kořeny rostlin a jejich výměšky humus – nejdůležitější faktor dobré půdní struktury jilovité částice hydroxidy Al nebo Fe
Půdní stabilizátory – aby se pedy nerozpadávaly - přirozené tmely - umělé – jen ve stádiu pokusů
Strukturu ovlivňují cykly vysoušení a zvlhčování - mírný průběh – příznivý vliv na strukturu - nadměrné vysoušení a zvlhčování – působí nepříznivě
Struktura půdy -
ovlivňuje pórovitost a tím -
1. 2. 3. -
retenční schopnost půdy infiltraci vody do půdy hydraulické charakteristiky tepelné charakteristiky
dobrá struktura v pórech je více CO2 a méně O2 – difúze plynů po oddělení gravitační vody umožňuje výměnu plynů drobtovitá – nejlepší – vhodný poměr mezi makro a mikropóry dostatečně zvlhčená retenční vodou dostatečně provzdušněná příznivá pro vegetaci nestrukturní – spojité jemné póry - jíly hlavně kapilární voda – malý pohyb a vysoká vlhkost nízká hydraulická vodivost, vysychavost, tvorba škraloupů a rozpukání
Sorpční schopnost půdy Druhy sorpce 1. mechanická •
hrubě dispergované částice se zachycují v malých pórech
2. fyzikální •
povrchové jevy na fázovém rozhraní
3. fyzikálně chemická •
výměna kationtů v pevné fázi za kationty z roztoku (reversibilní)
4. chemická •
vazby, nerozpustné sloučeniny (irreversibilní)
5. biologická •
zadržování a přeměna rozpuštěných látek na nerozpustné – stavba těl organismů
Výměnná sorpční kapacita půdy - T – mekv/100 g – schopnost hmotnostní jednotky půdy sorbovat určité množství kationtů Obsah skutečně vyměněných adsorbovaných kationtů – S →stupeň sorpčního nasycení V– obsah výměnných bází V = 100 S/T
Vlastnosti minerálního půdního podílu Primární minerály – zbytky magmatických hornin, chemicky nedotčené – různý stupeň zvětrávání – hlavní složka – křemen – typický reziduální materiál odolný vůči kyselinám – měrná hmotnost 2,65 g/cm3 – další složky - živce, slídy, augit, amfibolit, hematit, magnetit, apatit sekundární jílové minerály – hlavní součást jílové frakce půd – vznik • procesy zvětrávání vrstevnatých mřížek • syntéza z produktů zvětrávání
Hlavní stavební prvky • křemíkové tetraedry • hliníkové oktaedry
Křemíkové tetraedry • • • •
4 vrcholy O2-, křemíkové jádro Si4+ spojují se ve vrcholech vrcholový O2- je společný dvěma tetraedrům základnou je šestiúhelníková síť
Hliníkové oktaedry • 6 vrcholů O2- nebo OH• hliníkové jádro Al3+ • vrcholy jsou společné 3 oktaedrům
Vzájemné uspořádání základních vrstev kaoliny, montmorilonity a illity
Skupina kaolinů • základní dvouvrství – vrstva křemíkových tetraedrů s vrcholy do vrstvy hliníkových oktaedrů • vrstvy těsně vázány společnými vrcholovými ionty • vzdálenost jednotlivých dvojvrství je cca 0,29 nm - nebobtnají • nízká sorpční kapacita (3 – 15 mekv/100 g) • nízký měrný povrch – 10 – 15 m2/g
Vzájemné uspořádání základních vrstev
Skupina montmorilonitů • • • •
2 vrstvy křemíkových tetraedrů a mezilehlá vrstva hliníkových oktaedrů vrcholy tetraedrů směřují do střední vrstvy vzdálenost trojvrství je proměnlivá (0,35 – 1,4 nm) náhrada Si4+ ionty Al3+, náhrada Al3+ ionty Mg2+, Fe2+, Fe3+ → vznikají nenasycené valence → velká výměnná schopnost půdy 80 – 150 mekv/100 g • velké množství vnitřní vody – bobtnání vlivem proměnlivé vzdálenosti vrstev • specifický povrch 250 – 510 m2/g
Vzájemné uspořádání základních vrstev Skupina illitů – jílové slídy • 2 vrstvy křemíkových tetraedrů a mezilehlá vrstva hliníkových oktaedrů • náhrada 1/6 křemíků hliníkem – negativní náboje vyrovnány K+ , které jsou pevně poutány v mezivrství mezi jednotlivými trojvrstvími • omezuje možnost přílišného vzdálení základních trojvrství • vzdálenost 0,35 nm, málo bobtná • sorpční kapacita 20 – 40 mekv/100 g • měrný povrch 50 - 90 m2/g
Chlority Illity
