Vztah heterogenity iontovýměnných vlastností půdy na rychlost změny koncentrace některých iontů v půdě

Relation of Heterogeneity of Ion-exchange Properties of Soil to Speed of Change of Concentration of Some Ions in Soil

Kolář Ladislav, Kužel Stanislav, Ledvina Rostislav

Abstract

Soil heterogeneity, expressed by values of sorption capacity T, does not correspond exactly with the changes of ion concentration in soil. Sorption, evidently, plays only less important role in transport of water and dissolved substances under these soil conditions. Estimation of washing coefficient K seems to be more perspective tool and can better express a kinetic of change of ion concentration in soil under critical conditions of higher soil heterogeneity.

Půdoochranné technologie zpracování půdy se začínají uplatňovat z předpokládaných ekonomických důvodů i ve vyšších polohách. S tím je spojena i změna způsobu hnojení (např. uložení hnojiva a osiva ve dvou rovinách v jedné pracovní operaci technologií CP firmy DUTZI, nebo zavádění kapalného hnojiva radličkou DVETT mezi a pod dva pásky osiva technologií PPF firmy HORSCH a další), která má údajně mnoho výhod (nemožnost zničení kořínků vyklíčených rostlin vysokým osmotickým tlakem, lepší koncentrační gradient živin, lepší výživa rostlin za sucha, chladu a v extrémně vlhké půdě, nižší potřeba živin, menší ztráty živin atd.).

Všechny tyto způsoby působí dočasnou vyšší lokální koncentraci živin v prostorově omezené části půdy, která se samozřejmě různě rychle vyrovnává difuzí, elucí, sorpcí, imobilizací atd.

Základním mechanismem změny koncentrace živin v daném místě v půdě je vertikální transport vody a rozpuštěných látek v půdě při nasyceném i nenasyceném proudění. Je to mimořádně složitý proces, kombinující konvekci s hydrodynamickou disperzí, s podélnou a příčnou difuzí, s adsorpcí a desorpcí, se vznikem a rozkladem látek i v průběhu transportu. To v nehomogenním, porézním prostředí, v časové změně vysýchání a rehydratace. Přesto existují matematické a simulační modely tohoto transportu, které mají už praktické využití. Výklad základních rovnic zpracovali přehledně Pavel, Kozák, Procházka (1985). Tito autoři vypracovali také dva simulační modely a sestavili programy pro počítač se souřadnicovým zapisovačem. Tak je umožněn přímý grafický výstup výpočtů. Předností těchto řešení je fakt, že difusní rovnice lze snadno rozšiřovat o další členy a libovolně měnit počáteční a hraniční podmínky numerického řešení. Kozák, Abiad (1983) popsali transport NO3- z hnojiva DAM a vycházeli z údajů Lunda (1974) a Leteye (1979), že zrnitostní složení půdního profilu má signifikantní vliv na ztráty NO3- elucí z kořenové zóny rostlin. Proto důležitým členem difusních rovnic modelu Balasubramaniana (1973) je obsah fyzikálního jílu v zeminách.

Je třeba říci, že praxe při hodnocení výsledků půdoochranných technologií na výnosy pečlivě sleduje fyzikální změny stavu půdy, náročnosti transportu živin se věnuje mnohem menší pozornost. Situaci v otázce osudu živin a jejich využití dále silně komplikuje heterogenita půdních vlastností na hnojeném pozemku. Ta do velké míry ohrožuje i možnost využití moderního způsobu GPS, který sice umožňuje téměř dokonale provést vyrovnávací hnojení, ale zapomíná se na to, že heterogenita půdy působí různě rychlou změnu dosaženého stavu. Heterogenitu našich půd sledovalo mnoho autorů - Damaška (1986), Damaška, Voplakal (1996), Mráz, Horáček (1996), Kužel, Hniličková (1996) a další.

Metodika a výsledky

Na pozemku v nadm. výšce 458 m s písčitohlinitou kambizemí pseudoglejovou, var. kyselou, se středním potenciálem půdní úrodnosti, půdní substrát pararuly, pH/KCl = 6,05, průměrnou sorpční kapacitou T = 142 mval.kg-1, s obsahem přístupných živin v mg.kg-1 58 P, 157 K, 2382 Ca, 231 Mg (MEHLICH III) byl vyměřen obdélník 140 x 50 m s pevně označenou čtvercovou sítí s délkou stran 5 m. V rozích čtverců byly odebrány vzorky (308 ks).

V půdních vzorcích byl stanoven obsah fyzikálního jílu (sedimentační křivka - pipetovací metoda), obsah huminových kyselin (Horáček 1995) a sorpční kapacita podle Gillmana v úpravě Zbírala (1995). Proti očekávání ekvivalentní plochy, zobrazující rozložení půdních koloidů minerálních (fyzikální jíl) i organických (huminové kyseliny) se nejen nekryjí, ale zdaleka nejsou ani podobné (obr. 1, 2, 3). Stanovení sorpční kapacity bylo proto opakováno metodou podle Sandhoffa s konduktometrickou titrací, bohužel se stejným výsledkem. Je zřejmé, že v těchto podmínkách se procesy sorpce nedají zobrazit našimi klasickými fyzikálně-chemickými představami.

V další části práce jsme v síti o délce strany 20 m (24 lichých míst) aplikovali tlakovým injektorem do hloubky 10 cm 250 ml 10% roztoku CaCl2, 10% roztoku KCl a 10% roztoku LiCl a v l4denních intervalech odběrem vzorků po kružnici o průměru 35cm se středem v bodu aplikace solí jsme sledovali změny koncentrace iontů v hloubce 20 cm. Rychlost úbytku koncentrace Ca2+, K+ a Li+ byla různá a ekvivalentní plochy koncentrace těchto iontů neodpovídaly plochám rozdělení fyzikálního jílu, ani huminových kyselin a ani hodnotám sorpční kapacity T.

V další části práce jsme v dosud odběry a experimenty neporušené odběrové síti o délce strany 20 m (24 sudých míst) odebrali rýčem do hloubky 20 cm půdní hranoly 20 x 10 x 10 cm. Po odstranění svrchního humusového horizontu byly vzorky usušeny a prosety sítem 2 mm. Po aplikaci 250 ml 15% roztoků CaCl2 + KCl + LiCl byly znovu usušeny a potom do Bü chnerových nálevek s vloženým rychle filtrujícím papírovým filtrem bylo odváženo 100 g na vzduchu vyschlého prosevu. Při uzavření odtoku byly nálevky se zeminami nasyceny vodou. Promývací experiment, zahájený otevřením odtoku, byl prováděn měřením koncentrace iontů v promývací vodě, měřením rychlosti průtoku promývací vody, měřením doby promývání a měřením vrstvy promývané zeminy. Promývací součinitel K byl vypočítán z rovnice:

t2 - t1 2,303 . d

----------------- = ------------

log c1 - log c2 K . w

kde:

c1, c2 = koncentrace iontů v promývací vodě [ mg/l]

t1, t2 = počátek a konec promývání [ min]

d = tloušťka filtrační vrstvy zeminy na konci pokusu [ cm]

w = rychlost průtoku promývací vody [ 1000 ml/min.cm2]

Práci usnadní, když výsledky měření zakreslíme do diagramu na semilogaritmický papír, na němž jako pořadnice vyneseme logaritmy koncentrací a jako úsečky dobu promývání. V tomto systému je závislost přímková a ze sklonu přímky difusního promývání je možno zjistit veličinu K (obr. 4). Na obr. uvedená přímka č. 1 odpovídá K = 560, č. 2 odpovídá K = 508.

Korelační koeficient pro závislost K « rychlost úbytku koncentrace iontu v praktickém pokusu na pozemku s tlakovou injektáží roztoku solí při počtu opakování n = 10 a pravděpodobnost a = 0,05 je pro jednotlivé ionty následující:

Kritická hodnota r = 0,58.

Závislost je kromě vápníku statisticky významná, ale je zřejmé, že pro ionty snadněji sorbovatelné díky vyššímu náboji (Ca2+) či jinak poutané (fixace K+) je koeficient korelace na hranici kritických hodnot. U vápníku je zřejmě situace dále komplikována tím, že jeho eluci rozhodující mírou ovlivňuje rovnovážný CO2 v půdním roztoku.

Závěr

Měřením heterogenity půdy stanovením hodnot sorpční kapacity T, která vyjadřuje nejen sorpci, ale do jisté míry dává i představu o koloidním půdním systému, nelze postihnout rychlost změny koncentrace iontů v půdě. V transportu vody a rozpuštěných látek v těchto půdních podmínkách hraje zřejmě sorpce jen málo významnou roli.

Perspektivnějším se zdá stanovení promývacího součinitele K, který pro potřeby podkořenového hnojení i pro potřeby vyrovnávacího hnojení podle GPS lépe zachycuje skutečnou rychlost změn koncentrace iontů v půdě v kritických půdních podmínkách vyšších poloh a značné půdní heterogenity.

Tato práce byla umožněna využitím finančních prostředků z grantu CEZ J 06/98: 122200002/1.

Použitá literatura je k dispozici u autorů.

1. Heterogenita půdy pokusné plochy podle obsahu fyzikálního jílu

(interval hodnot 4,2 - 9,5 %)

2. Heterogenita půdy pokusné plochy podle obsahu huminových kyselin

(interval hodnot 20 - 76 mg/kg)

3. Heterogenita půdy pokusné plochy podle hodnot sorpční kapacity T

(interval hodnot 98 - 170 mval/kg)

4. Promývací koeficient K ze závislosti log c = f (t)

(Rychlost průtoku promývací vody při K1 = 560 0,00085 l/cm2.min, při K2 = 508 byla 0,00055 l/cm2.min. Tloušťka filtrační vrstvy při K1 = 12,7 mm, při K2 = 28 mm.) Koncentrace c vyjádřena v g/l, čas t v min.