VODA V PŮDĚ
Základy pedologie a ochrana půdy
Půdní voda = veškerá voda vyskytující se trvale nebo dočasně v půdním profilu (kapalná, pevná, plynná fáze)
vztah k půdotvorným procesům a k vegetaci hybná síla všech pochodů podmínka vzniku půdy a života v ní
5. 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 závlahy (voda z odumřelých kořenů a mikroorganismů)
Výstupy
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
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]
Vlhkostní potenciál - ϕw , hw
dán zemskou tíhou ϕg = g.z, příp. hg = z kde: g je tíhové zrychlení, z výška nad hladinou podzemní vody
působení rozdílných vlhkostí – matriční síly projevuje se jako sací tlak (podtlak)
určuje poutání a pohyb vody v půdě lze rozdělit na složky (dílčí potenciály)
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
H = hg + hw + ha + he + ho
Zátěžový potenciál - ϕe , he
zatížení půdy, deformace
při záporném potenciálu půda poutá vodu
Osmotický potenciál - ϕo , ho
Tlakový (tenzometrický) potenciál - ϕp, hp
rozdíl koncentrace rozpustných solí
tlak měřený tenzometrem
ϕp = ϕ w + ϕa + ϕe 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
Tenzometr
Tenzometr
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
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)
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 kapilární kapacita – MKK (podle B.
Nováka) přibližný kvazistacionární stav, který charakterizuje rozdělení vlhkosti při vzlínání vody z hladiny podzemní vody a počátečně ustálenou vlhkost v půdě po závlaze (srážce)
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
Popis pohybu vody v půdě Nasycená půda
Mísitelné proudění
Darcyho rovnice:
v = K . ΔH/L = K . I kde ΔH/L = I – hydraulický spád
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
Nenasycená půda Ustálené proudění Darcyho rovnice:
v = - k . grad Φ Neustálené proudění Darcyho rovnice + rovnice kontinuity
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
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
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
zavlažení nadbytek využití nedostatek
