Hydropedologie - Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství

Hydropedologie
Martin Šanda
[email protected]
Kat. hydromeliorací a krajinného inženýrství
konzultační hodiny, B673
dle dohody, email
Podmínky pro udělení zápočtu
100% aktivní účast na laboratorních cvičeních
(Šanda, B671)
6 bloků po 4 hodinách – jmenný rozpis na dveřích B671
1. čára zrnitosti, měrná hmotnost půd 4. měření vlhkosti
2. hydraulické charakteristiky
5. prezentace
3. půdní chemie
6. výpočtové úlohy
hodnocení laboratoří = až 20 bodů u zkoušky
Požadavky ke zkoušce
znalost látky v rozsahu přednášek: k dispozici na webserveru
Přednášky on-line
K143: http://storm.fsv.cvut.cz/
doporučená literatura: Kutílek, M., Kuráž, V., Císlerová, M.
Hydropedologie 10, skriptum ČVUT 2004
Zkouška pouze písemná 2 hodiny – bodové hodnocení 80
bodů+(0-20b z laboratoří)
Požadavky ke zkoušce
znalost látky v rozsahu přednášek: k dispozici na webserveru K143:
http://storm.fsv.cvut.cz/ Přednášky on-line HYPE
Klasifikační stupeň
Bodové hodnocení
Číselná klasifikace
A
B
C
D
E
F
100-90 89-80 79-70 69-60 59-50 < 50
1,0
1,5
2
2,5
3
4
laboratoře max. 20 bodů
zkouška max. 80 bodů – 4 části => lab+zk = max. 100 bodů
1. důležité otázky: 2 x pedologie, 3 x hydropedologie (tj. 5 x 6b=30b)
2. 2 x příklad (1.Darcyho experiment, 2.vodní retence x bilance vody v
půdním profilu x infiltrace x tenzometry v půdním p.
příklad č. 2 viz látka jen na přednáškách) = 12b
3. 2 x poznávání půdních typů, 2 x 4b = 8b
4. 10 x doplňující otázky, 10 x 3b = 30b
Nutná znalost alespoň 50% z každého bloku 1.-3. samostatně,
jinak F i v případě sumárního počtu bodů nad 50
blok 4. jako doplněk do 50b jinak F
Přehled přednášek 2015/2016
1. Úvod, mezioborové souvislosti, historie, základní pojmy
2. Pedogeneze, faktory formující vznik půd, půdní procesy
3. Jílové minerály, chemické složení půd - C, N,P,K, výměnná
kapacita, pH, Chemické procesy v půdě - znečištění půd
4. Textura - zrnitostní rozbor, struktura - agregace
5. Fyzikální vlastnosti půd - vlhkost, teplotní režimy, voda, vzduch
6. Voda v půdě, kapilarita, retenční čára
7. Voda v půdě - měření vlhkosti půd, vzdušná vlhkost
8. Hydraulické charakteristiky, hydraulická vodivost, měření
9. Hydrodynamika - nasycené, nenasycené proudění
10. Elementární procesy: infiltrace, výpar, transpirace rostlin,
hydrolimity
11. Půdní horizonty, půdní typy, taxonomie česká a mezinárodní
12. Půdní horizonty, půdní typy, taxonomie česká a mezinárodní
13. Opakování nejdůležitější látky z Hydropedologie
Hydropedologie
Přednáška 1
Úvod
Historie pedologie, základní
pojmy, funkce půdy, složení půdy
Hydropedologie
Spojitost s předměty
Hydraulika podzemní vody
Erozní procesy v povodí
Odvodnění a závlahy
Tvorba a ochrana krajiny
Geografické informační systémy
Transport látek v půdě
Rizikové látky v půdě
Inženýrská hydropedologie
Odpadové hospodářství
Mechanika zemin, zakládání staveb
Historie pedologie
Historicky spojena se zemědělstvím,
zmínky v náboženských textech
Mezopotámie, Egypt
pěstování plodin v Egyptě záviselo na cyklu řeky Nil.
Egypťané rozlišovali tři období Akhet (záplavy),
Peret (setba), and Shemu (sklizeň)
záplavy trvaly od června do září – výsledkem bylo
usazení prachových částic na březích podél řeky
obsahující vysoký podíl minerálů – vhodných pro
pěstování plodin
Čína
2. st. př.n.l. předchůdce secího stroje – dvoudílný
sazeč
Zdroj: Wikipedia
Historie pedologie
• Staří řekové – o erozi u Atén
• Římané – zemědělská literatura
moderní:
• Jethro Tull (1701) – experimentátor v
zemědělství, zlepšovatel zemědělských
praktik plení a hnojení, vynálezce secího
stroje
• Theodore de Saussure (1804) –
experimenty ke stanovení výměny
CO2 a O2 rostlinami
Historie pedologie
• Justus von Liebig (1803-1873) – první
M&H5 koncepce půdy, bilanční teorie, zjistil, že
rostliny spotřebovávají N, CO2 a prvky získané
z minerálů
M&H7
• N. S. Shaler (1891) – monografie o původu a
základních vlastnostech půd – geologický
přístup
• Dokučájev (1883) – nová koncepce půdy,
černozemě, půda se skládá z vrstev
M&H8
• Hilgard (1914), Muller (1887)
M&H9
průzkum a popis podzolů
• Marbut (1930) – klasifikace půd, variabilita
• Hans Jenny (1941) – definoval faktory
půdotvorby v dnešní podobě
Zdroj: Brock WH Justus von Liebig
The Chemical Gatekeeper
V. V. Dokuchaev
Slide 9
M&H5
The early geologists generally accepted the balance-sheet theory of soil fertility and applied it within the framework of their own
discipline. They described soil as disintegrated rock of various sorts—granite, sandstone, glacial till, and the like. They went further,
however, and described how the weathering processes modified this material and how geologic processes shaped it into landforms
such as glacial moraines, alluvial plains, loess plains, and marine terraces. Geologist N. S. Shaler's (1841 – 1906) monograph (1891) on
the origin and nature of soils summarized the late 19th century geological concept of soils.
Early soil surveys were made to help farmers locate soils responsive to different management practices and to help them decide what
crops and management practices were most suitable for the particular kinds of soil on their farms. Many of the early workers were
geologists because only geologists were skilled in the necessary field methods and in scientific correlation appropriate to the study of
soils. They conceived soils as mainly the weathering products of geologic formations, defined by landform and lithologic composition.
Most of the soil surveys published before 1910 were strongly influenced by these concepts. Those published from 1910 to 1920
gradually added greater refinements and recognized more soil features but retained fundamentally geological concepts.
M&H; 27.9.2005
M&H7
Rusové jsou v pedologii velmi silní:
světová pedologická slova
cernozem
glej (rusky klih)
podzol (něco s popelem)
nová koncepce půdy
Beginning in 1870, the Russian school of soil science under the leadership of V.V. Dokuchaiev (1846 – 1903) and N.M. Sibertsev (1860
– 1900) was developing a new concept of soil. The Russian workers conceived of soils as independent natural bodies, each with unique
properties resulting from a unique combination of climate, living matter, parent material, relief, and time. They hypothesized that
properties of each soil reflected the combined effects of the particular set of genetic factors responsible for the soil's formation.
The Russian concepts were revolutionary. Properties of soils no longer were based wholly on inferences from the nature of the rocks or
from climate or other environmental factors, considered singly or collectively; rather, by going directly to the soil itself, the integrated
expression of all these factors could be seen in the morphology of the soils. This concept required that all properties of soils be
considered collectively in terms of a completely integrated natural body. In short, it made possible a science of soil.
učil mineralogii a krzstalografii
The early enthusiasm for the new concept and for the rising new discipline of soil science led some to suggest the study of soil could
proceed without regard to the older concepts derived from geology and agricultural chemistry. Certainly the reverse is true. Besides
laying the foundation for a soil science with its own principles, the new concept makes the other sciences even more useful. Soil
morphology provides a firm basis on which to group the results of observation, experiments, and practical experience and to develop
integrated principles that predict the behavior of the soils.
http://www.indopedia.org/Soil_science.html
M&H; 27.9.2005
Slide 9 (Continued)
M&H8
Under the leadership of Marbut, the Russian concept was broadened and adapted to conditions in the United States.This concept
emphasized individual soil profiles to the subordination of external soil features and surface geology. By emphasizing soil profiles,
however, soil scientists at first tended to overlook the natural variability of soils which can be substantial even within a small area.
Overlooking the variability of soils seriously reduced the value of the maps which showed the location of the soils.
Furthermore, early emphasis on genetic soil profiles was so great as to suggest that material lacking a genetic profile, such as recent
alluvium, was not soil. A sharp distinction was drawn between rock weathering and soil formation. Although a distinction between
these sets of processes is useful for some purposes, rock and mineral weathering and soil formation are commonly indistinguishable.
The concept of soil was gradually broadened and extended during the years following 1930, essentially through consolidation and
balance. The major emphasis had been on the soil profile. After 1930, morphological studies were extended from single pits to long
trenches or a series of pits in an area of a soil. The morphology of a soil came to be described by ranges of properties deviating from a
central concept instead of by a single "typical" profile. The development of techniques for mineralogical studies of clays also
emphasized the need for laboratory studies.
M&H; 27.9.2005
M&H9
Švýcar později působící v USA
In 1941 Hans Jenny's (1899 – 1992) Factors of Soil Formation, a system of quantitative pedology, concisely summarized and illustrated
many of the basic principles of modern soil science to that date. Since 1940, time has assumed much greater significance among the
factors of soil formation, and geomorphological studies have become important in determining the time that soil material at any place
has been subjected to soil-forming processes. Meanwhile, advances in soil chemistry, soil physics, soil mineralogy, and soil biology, as
well as in the basic sciences that underlie them, have added new tools and new dimensions to the study of soil formation. As a
consequence, the formation of soil has come to be treated as the aggregate of many interrelated physical, chemical, and biological
processes. These processes are subject to quantitative study in soil physics, soil chemistry, soil mineralogy, and soil biology. The focus
of attention also has shifted from the study of gross attributes of the whole soil to the co-varying detail of individual parts, including
grain-to-grain relationships.
M&H; 27.9.2005
M&H10
Pedologie a další obory
Slide 10
M&H10
Pedology, (from the Greek pedon = soil), is the study of soils and soil formation. It is the branch of soil science thad deals with soil
genesis, morphology and classification.
The soil is not only an inert and stable support for vegetation, but it is also the seat of numerous interactions between climate (water,
air, temperature), soil life (micro-organisms, plants, animals) and its residues, the mineral material of the original and added rock, and
its position in the landscape. During its formation and genesis, the soil profile deepens and is slowly characterized by successive layers,
called horizons, while a steady state balance is approached.
Soil users (such as agronomists) showed initially little concern in the dynamics of soil. They saw it as medium whose chemical, physical
and biological properties were useful for the services of agronomic productivity. On the other hand, pedologists and geologists did not
initially focus on the agronomic applications of the soil characteristics but upon its relation to the nature and history of landscapes.
Today, there's an integration of the two disciplinary approaches.
Pedologists are now also interested in the practical applications of a good understanding of pedogenesis processes (science of the
evolution of soils), like interpreting its environmental history and predicting consequences of changes in land use, while agronomists
understand that the cultivated soil is a complex medium, often resulting from several thousands of years of evolution. They understand
that the current balance is fragile and that only a thorough knowledge of its history makes it possible to ensure its sustainable use.
M&H; 27.9.2005
Pedologie – Soil Science
slovník podoborů
klasická pedologie
(půdotvorba,
klasifikace)
pedology
půdní fyzika (voda v
půdě, transport látek)
soil physics (vadose
zone hydrology)
půdní chemie
soil chemistry
půdní biochemie
soil biochemistry
Význam půdy
v hydrologickém cyklu
EN-CZ slovník velmi základních pojmů:
soil
půda
rock
hornina
precipitation
srážky
evaporation (from surface)
výpar (z povrchu)
transpiration (from trees and plants) –
transpirace – dýchání (stromů a rostlin)
water table
hladina vody
surface flow
povrchový odtok
stream flow
odtok v toku
through flow
odtok v půdním prostředí
hornina, půda je pod hladinou vody plně
nasycena vodou, nad hladinou vody je
nasycení částečné a objem vody je
proměnlivý v čase (limitně plné nasycení)
to je nenasycená zóna (vadose zone)
zdroj: http://atschool.eduweb.co.uk/nelthorp/room8/intra/geograph/tests/watercyclec.htm
• celosvětová zásoba sladké vody v půdním a horninovém prostředí je
cca 10x než objem vody v řekách a jezerech,
• vyrovnávání extrémů na odtoku vody, snižování erozního účinku vody
• zásobárna vody pro rostliny
Cesty proudění vody
půda
zvětralina
půda
drenáž podzemní vody
(základní odtok)
(sedimentární) zvodeň
rozpukaná hornina
(zvodeň v mateční hornině)
Půda – rozhraní mezi systémy
přírodní útvar vzniklý na
rozhraní litosféry s
atmosférou součinností
půdotvorných faktorů.
půda je spojujícím prvkem
mezi anorganickou hmotou a
živými organismy na Zemi
hydrosféra
+
atmosféra
je biologicky oživená a
členěná na horizonty
Půdní profil, půdní horizonty
Půdní horizonty
vrstvy v nichž se
půdní vlastnosti
odlišují od
sousedících
vrstev
Půdní profil –
vertikální
úsek
obsahující
všechny
jeho
horizonty
Atmosféra
Půda
Vegetace
Hornina
Atmosféra
CO2
H2O
Půda
Vítr
Teplota
Srážky
Světlo
Atmosféra
Vegetace
Kořeny, listy
Vázání uhlíku
Živiny
Organický uhlík.
Živiny
Voda
pH
Půda
Atmosféra
Vegetace
póry rozvolňování
Půda
Zvětrávání
Uvolňování živin
Úrodnost
Textura
Barva
Hornina
Funkce půdy
• ekosystém sám o sobě, trojrozměrný
životní prostor
• nedělitelná část většího ekosystému
ovlivňující jak zemní tak vodní
procesy
• Naprosto kriticky nezbytná část života
na Zemi
• biologický filtr – přeměňování a
zneškodňování látek
• součást krajiny
• základna/součást staveb
Půda je:
obecná definice: trojrozměrné
kontinuum v prostoru a v čase
formující svrchní část zemské
kůry
Ale také: substrát pro rostliny,
přírodní fenomén;
Případně: půda je čímkoliv, za co jí
považuje určitý kompetentní orgán
Elementární složení půd
Prvek
%
O
49,0
Si
33,0
Al
6,7
Fe
3,2
Ca
2,0
Na
1,1
Mg
0,8
Prvek
%
K
1,8
Ti
0,5
P
0,08
Mn
0,08
S
0,04
C
1,4
N
0,2
(URE a BERROW, 1982)_
• Hydroxidy, jíly
• Oxidy, hydroxidy, organické
látky
• Křemen, silikáty, jílové
minerály
Stáří půd
1.8M
v ČR pouze
čtvrtohory
(max 1.8 mil
let)
65M
144M
206M
ve světě i
mladší
třetihory (51.8 mil)
22°C
Zdroje: http://universe-review.ca/
courses.eas.ualberta.ca/eas373/week1/Under_One_Sky.ppt
17°C
12°C
Průměrná roční teplota
Složení půdy
pevná
fáze organická
hmota
plynná
fáze půdní
vzduch
`
kapalná
fáze voda
pevná
fáze minerály
Minerály
•
•
•
•
Tvoří až 50% objemu půdy
Liší se chemickým složením
Obsahují částice různých velikosti
Mají původ v mateční hornině
Organická hmota
• Malá část co do podílu hmotnosti, ale
obrovský vliv na vlastnosti půdy
• Vytváří se částečně z rozpadlých rostlin a
živočichů + s organickými prvky je
syntetizována půdními mikroby
• Je dočasným prvkem v půdě
Funkce organické hmoty
• Stabilizuje strukturu půdy
• Zvyšuje objem vody který je půda schopna
vázat ve formě dostupné pro rostliny
• Je hlavním zdrojem živin pro rostliny
• Je hlavním zdrojem potravy a energie pro
půdní organismy
Půdní voda
•
•
•
•
Nezbytná pro růst rostlin
Základní médium pro transport látek
Nezbytná při čištění půdního prostředí
V půdě se vyskytuje jako:
– chemicky vázaná a hygroskopická (obalující
zrna),
– kapilární (kapilárními silami v pórech)
– gravitační (dočasná, odtéká po odeznění
vodního zdroje – déšt, tání sněhu, záplava)
Půdní vzduch
• Prostorově a časově velmi
variabilní
• Má vysokou vlhkost (Rh ≈100%)
• Vysoký obsah CO2
• Nízký obsah O2
Oživení půd:
• fytoedafon – baktérie, aktinomycety, plísně,
sinice, řasy – vliv na mineralizaci a humifikaci,
biochemické procesy, např. denitrifikace
• zooedafon – oživení nižšími a vyššími
živočichy – zkypřování, hnojení půd
• antropogenní vlivy – vliv člověka
fyto- a zoo-edafon - příklady
plísně
baktérie
prvoci
aktinomycety
červi
roztoči
obratlovci
Vegetace
byliny přírodní, kulturní plodiny:
pole, louky, pastviny, lesy
stromy – lesy, deštné pralesy
Vlivy člověka na půdu
•intenzivní
zemědělství:
hnojení
pesticidy
škodlivé látky
•skládkování
•urbanizace
•rozšiřování
pouští
•eroze
mýcení lesů
extenzivní
zemědělství
Možnosti uplatnění znalostí
z kurzu pedologie
znalost základní klasifikace půd: všechny oblasti
ochrany a tvorby krajiny, revitalizace
chápání fyzikálních vlastností: modelování
odtoku z povodí, modelování erozních procesů
chápání hydraulických charakteristik půd a
základů půdní chemie: nezbytné pro další
studium proudění vody v půdě a transportu
škodlivých látek v půdě a k modelování těchto jevů
Možnosti uplatnění znalostí
z kurzu pedologie
ekodukty
Literatura
Kutílek, M., Kuráž, V., Císlerová, M. Hydropedologie, skriptum ČVUT 1994
Císlerová, M. Inženýrská hydropedologie, skriptum ČVUT 2001
Tyto přednášky na webu:http://storm.fsv.cvut.cz/
- sekce Pro studenty – On-line přednášky a cvičení – HYPE - Hydropedologie
Další zdroje:
Klasifikace půd:
http://klasifikace.pedologie.cz
Fitzpatrick, Soils: Their formation, classification and distribution
Sulzman E.W. : CSS 305 Principles of Soil Science:
http://cropandsoil.oregonstate.edu/classes/css305/lecture_sched.html
Půdní fyzika (v anglickém jazyce):
K. Roth: Lecture notes
http://www.iup.uniheidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students/lecture_notes/soil_physics/le
cture_notes05/lecture_notes05.html
Přednášky kurzu Hydropedologie vznikly v autorském kolektivu: Ing. Martin Šanda, PhD a Ing. Michal
Sněhota, PhD Kat. hydromeliorací a krajinného inženýrství, F. stavební ČVUT
Literatura
Tyto přednášky na webu:
http://storm.fsv.cvut.cz/
- sekce Pro studenty – On-line přednášky a cvičení – HYPE Hydropedologie
Další zdroje:
Klasifikace půd:
http://klasifikace.pedologie.cz
Půdní fyzika (v anglickém jazyce):
K. Roth: Lecture notes
http://www.iup.uniheidelberg.de/institut/forschung/groups/ts/students/lecture_notes/soil_physics/l
ecture_notes05/lecture_notes05.html