prof. dr hab. Barbara Gworek

Katedra Nauk o Środowisku Glebowym

Zakład Gleboznawstwa

Program wykładów z przedmiotu Gleboznawstwo dla studentów Wydziału Ogrodniczego

1. Gleba jako podstawkowy element środowiska przyrodniczego (także chroniony

prawem) oraz jej funkcje ekologiczne i gospodarcze. Podstawówce definicje. Różnice pomiędzy skałą a glebą.

2. Czynniki glebotwórcze (litosfera, biosfera, klimat, hydrosfera, rzeźba terenu, człowiek, czas). Procesy fizycznego i chemicznego wietrzenia minerałów i skał. Produkty wietrzenia i ich właściwości ze szczególnym uwzględnieniem minerałów

ilastych oraz uwalnianych składników pokarmowych dla roślin.

Wpływ biosfery:

-         dostarcza biomasy

-         udział w procesach wietrzenia i chemicznych przemianach masy glebowej

-         udział w biologicznym obiegu składników w układzie gleba-roślina (rośliny umożliwiają wietrzenie chemiczne, ponieważ ich korzenie wydzielają kwasy organiczne)

-         wpływ zbiorowisk roślinnych na kształtowanie gleb i ich właściwości (fauna wpływa na mieszanie fizyczne składników glebowych, dostarcza substancji organicznej

Wpływ rzeźby terenu:

-         czynnik pośredni, wpływa na nasłonecznienie, erozję

       Wpływ człowieka

-         działalność przemysłowa

-         komunikacja

-         urbanizacja

-         działalność ogrodnicza i rolnicza

Procesy wietrzenia fizycznego prowadzą do rozdrobnienia skał i minerałów, nie powodują

      natomiast zmian w ich składzie chemicznym. Przebieg procesów wietrzenia fizycznego warunkowany jest aktywnością takich sił niszczących jak woda, temperatura, działalność lodowców i wiatrów. Dezintegrująca działalność sił niszczących jest najczęściej synergiczna i przejawia się w następujących zjawiskach fizycznych:

Nagrzewanie i ochładzanie. Nagrzewanie skał prowadzi do ich rozszerzania się (zjawisko rozszerzalności cieplnej), zaś ochładzanie - do kurczenia się. Przeważająca większość skał zbudowana jest z wielu minerałów, różniących się między sobą współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. W wyniku nagłych zmian temperatury dochodzi do powstania naprężeń, mogących powodować tworzenie się spękań i szczelin przyspieszających dalsze rozkruszanie skał. Dodatkowo, w efekcie słabego przewodnictwa cieplnego skał, temperatura na ich powierzchni jest często wyraźnie różna od temperatury panującej w częściach głębiej położonych. Takie zróżnicowanie temperatury indukuje powstawanie kierunkowych naprężeń , które z czasem prowadzą do odpryskiwania powierzchniowych warstw skały. Zjawisko to nazywane jest łuszczeniem się skał. Klasycznym przykładem produktów tego typu wietrzenia są granitowe "głowy cukru" w Rio de Janeiro.

Zamarzanie i rozmarzanie. Woda ma zdolność wnikania we wszelkie szczeliny, spękania i mikrootwory, powstałe w wyniku działania różnych czynników wietrzenia. Zamarzając, wywiera ogromne ciśnienie, sięgające 1666 t/m2. Ciśnienie to powoduje powstawanie szerokich szczelin w skałach i rozpadanie się mniejszych odłamków skalnych na coraz drobniejsze frakcje. W ten sposób tworzą się np. cyrki lodowcowe.

Pęcznienie i kurczenie. W zwietrzelinie obecnych jest wiele substancji zdolnych do pęcznienia, związanego z uwodnieniem i kurczenia się w wyniku odwodnienia. Procesom tym towarzyszy zmiana objętości i związany z nią "ruch" cząstek. Wzajemne ścieranie się cząstek i powstające w ich obrębie naprężenia przyczyniają się do dezintegracji wietrzejącego materiału.

Obtaczanie i ścieranie. transport materiałów macierzystych przez wodę, wiatr i lodowce silnie przyczynia się do ich rozpadu. Transportowane odłamki skalne, okruchy, czy nawet pojedyncze ziarna mineralne są narażone na nieustanne zderzanie i ocieranie się, zarówno o siebie nawzajem, jak i o napotkane przeszkody. W wyniku tych interakcji dochodzi do ścierania się ich powierzchni. Zjawisko to nazywane jest abrazją. Przykładem niszczącego działania mediów transportujących może być działanie wód płynących. Toczą one materiał skalny po dnie, czego efektem jest zdzieranie i obtaczanie powierzchni odłamków skalnych.. Czynnikiem transportującym i erodującym o wyjątkowej sile i zasięgu są również lodowce. Oddziałują one nie tylko na lite skały, na których zalegają, ale również na luźne materiały zbierane po drodze i przenoszone dalej. Ogromna masa przemieszczającego się lodowca miażdży wszelkie przeszkody znajdujące się na jej drodze, zdzierając i krusząc podłoże, po którym się posuwa. Działanie abrazyjne może być wywoływane również przez wiatr transportujący cząstki o małej średnicy. Znane są przykłady oddziaływania materiału niesionego przez wiatr na przeszkody w postaci skałek bądź głazów znajdujących się na jego drodze, w wyniku którego powstają formy zwane grzybami skalnymi.

Organizmy żywe. Działalność organizmów żywych również przyczynia się do rozpadu materiałów macierzystych, choć posiada znacznie mniejsze znaczenie od czynników wcześniej wymienionych. Dotyczy ono przede wszystkim niszczącego działania rozrastających się korzeni drzew i krzewów, choć pewną rolę przypisać należy także aktywności fauny drążącej różnego rodzaju kanaliki i tunele, wybitnie ułatwiające wnikanie wody. Rozluźniony w ten sposób materiał skalny odznacza się zwiększoną powierzchnią reakcji, co ma duże znaczenie przy wietrzeniu chemicznym.

    Wietrzeniem chemicznym nazywamy procesy chemicznego rozkładu, w trakcie których

      dochodzi do rozpuszczania i uwalniania składników oraz syntezy nowych minerałów bądź pozostawiania trwałych produktów końcowych rozpadu. Zachodzące przemiany są skutkiem ekspozycji skał i minerałów na warunki atmosferyczne, często skrajnie różne od warunków ich powstawania. Działanie agresywnych czynników środowiskowych, takich jak woda, tlen i CO2, wyzwala spontaniczne reakcje chemiczne w obrębie wietrzejącego materiału.

Produkty wietrzenia ogólnie dzieli się na :

1.    minerały ilaste,

2.    tlenki i wodorotlenki glinu, żelaza, tytanu i krzemu (tzw. trwałe produkty końcowe rozpadu),

3.    uwolnione jony.

Minerały ilaste oraz tlenki żelaza i glinu (najczęściej uwodnione) stanowią najbardziej

      rozdrobnioną koloidalną fazę gleby. Są one najaktywniejszymi składnikami mineralnej frakcji gleby i posiadają ogromne znaczenie w kształtowaniu szeregu jej właściwości. Zagadnienia związane z mineralogią tych związków stanowią oddzielną, skomplikowaną gałąź wiedzy, wciąż jeszcze nie do końca poznaną. Na stronach poświęconych minerałom ilastym oraz tlenkom żelaza, glinu i tytanu podano wiadomości dotyczące ich budowy, cech makroskopowych oraz występowania. Poniżej przybliżone zostaną zagadnienia związane z ich genezą i specyficznymi właściwościami.

      I. Geneza minerałów ilastych. Wtórne minerały glinokrzemianowe powstały w większości

z takich minerałów pierwotnych jak skalenie, miki, amfibole i pirokseny. Istnieją dwie drogi powstawania minerałów wtórnych:

·       stosunkowo niewielkie przekształcenie fizyczne minerałów pierwotnych,

·       całkowity rozpad minerałów pierwotnych i rekrystalizacja minerałów wtórnych z niektórych produktów tego rozpadu.

Przekształcanie minerałów może być inicjowana przez reakcje chemiczne, w wyniku których następuje usuwanie pewnych rozpuszczalnych składników z sieci krystalicznej i zastępowanie ich przez inne. Przykładem tego typu przekształcenia może być proces przeobrażania muskowitu w uwodnioną mikę. Muskowit posiada bardzo sztywną sieć krystaliczną o stosunku warstw tetraedrycznych do oktaedrycznych 2:1. W trakcie procesu wietrzenia następuje uwolnienie pewnej ilości potasu z sieci krystalicznej i wnikanie na jego miejsce cząsteczek wody. Sieć krystaliczna rozluźnia się i traci sztywność. Jednocześnie w pakietach strukturalnych następuje wzrost ilości krzemu w stosunku do glinu. W ten sposób dochodzi do powstania illitu, co w uproszczony sposób można przedstawić następująco:

K2Al4(Al2Si6)O20(OH)4 + Si4+ ® K0,2(K0,8)Al4(AlSi7)O20(OH)4 + K+ + Al3+

muskowit + krzem ® illit + glin

K0,2 reprezentuje potas wymienny, natomiast K0,8 - potas związany półsztywno pomiędzy pakietami krzemianowymi. W powyższej reakcji zachodzi uwalnianie potasu i glinu przy niewielkich zmianach chemicznych, powodujących jednak rozluźnienie sieci krystalicznej i zapoczątkowanie właściwości wymiennych przy niewielkich zmianach struktury krystalicznej minerałów pierwotnych. W wyniku tych przekształceń podstawowa jednostka kryształu zachowuje trójwarstwowy typ budowy (stosunek 2:1). Dalsze uwalnianie potasu i podstawianie niektórych atomów glinu przez magnez prowadzi do powstawania montmorillonitu. Przykłady te ukazują strukturalne podobieństwo różnych minerałów ilastych. W wyniku stopniowego przechodzenia od jednego minerału do drugiego może dochodzić do powstawania minerałów przejściowych, nazywanych mieszanopakietowymi (tzw. minerały interstratyfikowane). Posiadają one właściwości pośrednie pomiędzy dwoma grupami minerałów, od których pochodzą ich nazwy, np. "illito-montmorillonit", "chloryto-illit" itp.

Krystalizacja minerałów ilastych z rozpuszczalnych produktów wietrzenia innych minerałów wydaje się bardziej istotna dla ich genezy niż powstawanie na drodze fizycznych przekształceń. W takich warunkach dochodzi do formowania kaolinitu, krystalizującego z roztworów zawierających rozpuszczalne związki glinu i krzemu. Proces ten prowadzi do całkowitej przebudowy struktury minerałów pierwotnych i jest wynikiem znacznie bardziej intensywnego wietrzenia niż omówiony powyżej proces przekształcania. Rekrystalizacja umożliwia powstanie wielu różnych minerałów ilastych z danego minerału pierwotnego, w zależności od działających czynników wietrzenia oraz rodzaju jonów obecnych podczas krystalizacji w roztworze.
Poszczególne minerały ilaste różnią się miedzy sobą genezą. Uwodnione miki, których przedstawicielem jest illit mogą powstawać zarówno na drodze przeobrażenia mik (łyszczyków), jak i na drodze rekrystalizacji w środowiskach bogatych w potas z produktów rozpadu minerałów takich jak skalenie. Chloryty powstają w wyniku przeobrażenia zasobnego w magnez i żelazo biotytu - minerału należącego do grupy łyszczyków. Dalsze przeobrażanie i wietrzenie chlorytów prowadzić może do powstawania illitu lub wermikulitu, który w następnej kolejności przechodzić może w montmorillonit. Powstawanie montmorillonitu związane jest z warunkami niezbyt silnego wietrzenia, słabo kwaśnym lub alkalicznym odczynem środowiska i obecnością nadmiaru magnezu. Może on powstawać przez rekrystalizację z różnych minerałów pierwotnych, a także w wyniku przeobrażania innych minerałów ilastych, np. chlorytu, illitu i wermikulitu. Kaolinit reprezentuje najbardziej zaawansowane stadium wietrzenia. Powstaje on w wyniku rozkładu krzemianów w środowisku kwaśnym bądź silnie kwaśnym, ubogim w kationy zasadowe. Rozpuszczalne związki glinu i krzemu mogą w odpowiednich warunkach rekrystalizować, tworząc kaolinit. Rozkład kaolinitu prowadzi do powstania tlenków glinu i rozpuszczalnej krzemionki.

      II. Źródło ujemnych ładunków w minerałach ilastych.  jako jedną z charakterystycznych cech tych minerałów wymieniono ich elektroujemność. Istnieją dwie możliwości powstawania ładunków ujemnych towarzyszących cząstkom minerałów ilastych:

1.    na krawędziach sieci krystalicznej minerałów ilastych znajdują się grupy hydroksylowe (-OH), związane z atomem krzemu lub glinu. Wchodzący w ich skład wodór związany jest z tlenem dość luźno (prawdopodobnie kowalentnie) i przy wysokich wartościach pH wykazuje tendencje do oddysocjowywania. Powierzchnia koloidu uzyskuje w ten sposób ładunek ujemny (niezrównoważony ładunek ujemny tlenu), który zrównoważony zostaje wskutek przyłączenia kationu zasadowego. Zjawisko to jest typowe dla minerałów ilastych o sieci dwuwarstwowej (typu 1:1). Również minerały o budowie trójwarstwowej wykazują podobne właściwości, zwłaszcza na narożach i krawędziach zniszczonych struktur krystalicznych. Powstałe w ten sposób ładunki ujemne są - przynajmniej częściowo - zależne od pH. W glebach średnio i silnie kwaśnych siła wiązania kowalencyjnego łączącego wodór z tlenem jest znaczna i ujemne ładunki na powierzchni sieci krystalicznej nie ujawniają się. Przy odczynie od pH 6 wzwyż siła wiązania kowalencyjnego słabnie i wodór może być łatwo zastępowany przez inne kationy.

2.    W sieci krystalicznej minerałów ilastych może dochodzić do tzw. izomorficznych podstawień jonowych. Istotą tego procesu jest zastępowanie danego atomu sieci krystalicznej innym, posiadającym zbliżony promień jonowy. W warstwie tetraedrów atom Si4+ może być podstawiany przez atom Al3+, natomiast w warstwie oktaedrów atom Al3+ może być podstawiany przez atomy Mg2+ lub Fe2+. W obu wypadkach pojawia się jedna wolna wartościowość ujemna. W przeciwieństwie do ładunków występujących na krawędziach kryształów, ładunki powstałe wskutek izomorficznych podstawień nie zależą od pH i określane są jako ładunki trwałe. Zjawisko podstawiania jonów występuje prawdopodobnie we wszystkich minerałach ilastych typu glinokrzemianowego, jednak ilość powstających ładunków ujemnych jest największa w minerałach o budowie trójwarstwowej.
Zdolność minerałów ilastych do wymiany kationów z roztworem glebowym decyduje o ich ogromnym znaczeniu w kształtowaniu właściwości sorpcyjnych gleby. Stanowią one, obok związków próchniczych, podstawowy składnik kompleksu sorpcyjnego gleby. Na zdolności sorpcyjne gleb wpływ ma nie tylko ilość minerałów ilastych, ale także ich jakość. Ilość kationów sorbowanych przez minerały ilaste zależy bowiem od ich powierzchni właściwej.

III. Tlenki i wodorotlenki żelaza glinu i tytanu. Badanie tej grupy minerałów jest jeszcze

bardziej skomplikowane niż badanie minerałów ilastych. Prawdopodobnie wykazują one podobne do minerałów ilastych właściwości: posiadają budowę krystaliczną, są nośnikami ładunków ujemnych i mają zdolność do wymiany kationów z roztworem glebowym. Ilość ujemnych ładunków jest jednak mniejsza niż w przypadku minerałów ilastych, dlatego też zdolności sorpcyjne tych minerałów są mniejsze. Tlenki i wodorotlenki żelaza, glinu i tytanu występują w glebie w postaci koloidalnego filmu, swoistego "płaszcza" na powierzchni cząstek mineralnych. Są bardzo trudne zarówno do wyseparowania jak i do zidentyfikowania. Wszystkie są skrajnie słabo rozpuszczalne w normalnych roztworach glebowych (pH 4 - 9) - ich rozpuszczalność mierzy się w milimolach na litr roztworu. Najbardziej pospolitymi minerałami należącymi do tej grupy są:

·       tlenki i wodorotlenki żelaza - hematyt, getyt, limonit...