Analiza czynników wpływających na zwilżalność gleb mineralnych

retencja wody, sorpcyjność wody, kąt zwilżania, hydrofobowość, próchnica, chromatografia, model porów

Zwilżalność gleb mineralnych określa w decydującym stopniu ich właściwości hydrofizyczne: potencjał macierzysty, retencję wodną oraz współczynniki i parametry przenoszenia wody, takie jak sorpcyjność i dyfuzyjność wodną. W przypadku gleb mineralnych lub organicznych bezpośredni pomiar kąta zwilżania jest niemożliwy ze względu na granularny charakter materiału. Z opracowanego na potrzeby projektu matematycznego modelu kapilarności w porach niecylidrycznych wynika, że stosowane metody pośrednie oparte na teorii Washburn’a i pomiarach kinetyki sorpcji kapilarnej wody w badanym materiale (glebie) muszą dawać znacznie zawyżoną wartość kąta nazywanego pozornym kątem zwilżania. Niecylidryczność porów musi mieć również bardzo istotny wpływ na retencję i dyfuzyjność wodną materiału. Z przeprowadzonych badań teoretycznych wynika, że wartość kąta zwilżania, powyżej której sorpcja kapilarna materiału w ogóle nie zachodzi jest związana z budową porów, a ściśle mówiąc z kątem nachylenia ścianki w stosunku do kierunku ruchu menisku i nazywana jest krytycznym kątem zwilżania. Z teorii wynika, że tak zdefiniowany krytyczny kąt zwilżania powinien być znacznie mniejszy od 90o i zależeć od kształtu porów materiału. Weryfikację doświadczalną powyższych hipotez przeprowadzono badając właściwości sztucznego materiału kapilano-porowatego zbudowanego z ziaren czystego kwarcu o granulacji 50-200 m i czterech stopniach hydrofobowości oraz pięciu gleb z pól uprawnych o zróżnicowanym uziarnieniu i zawartości próchnicy. Właściwości hydrofizyczne wszystkich gleb badano w dwóch wariantach: naturalnym i po usunięciu z nich węgla organicznego. Dla próbek gleb oznaczono: uziarnienie, zawartość węgla, azotu i skład frakcyjny materii organicznej metodą chromatografii gazowej ze spektrometrią mas (GC-MS) oraz sorpcyjność wodną, pozorny kąt zwilżania, retencję wodną, współczynnik dyfuzji wodnej. Wpływ próchnicy na charakterystyki i parametry hydrofizyczne gleb oceniono poprzez porównanie wyników dla próbek gleb w stanie naturalnym i po usunięciu węgla organicznego. Przeprowadzone badania dowodzą, że zwilżalność gleb mineralnych przez wodę zależy od rzeczywistego kąta zwilżania i geometrii porów materiału glebowego. Jednakże aktualnie stosowane metody pomiaru kąta zwilżania gleb pozwalają mierzyć wartość pozornego, a nie rzeczywistego kąta zwilżania, który jest/(może być ) 2-3 x większy od wartości rzeczywistej. Opracowany nowy model kapilar niecylindrycznych, stanowiący uogólnienie modelu Washburn’a pozwala zrozumieć fizyczną przyczynę tych rozbieżności i lepiej interpretować wyniki doświadczeń dotyczących właściwości hydrofizycznych gleb mineralnych o ograniczonej zwilżalności. Stwierdzono, że pozorny kąt zwilżania fazy stałej gleby przez wodę jest dodatnio skorelowany z zawartością glebowej materii organicznej. Nie udało się jednak określić, który ze składników materii organicznej jest za ten efekt odpowiedzialny, ponieważ nie zauważono istotnej jego korelacji z zawartością kwasów fulowych, kwasów huminowych i humin w badanych glebach. Metoda gazowej chromatografii GC-MS pozwoliła na identyfikację około stu związków organicznych w pięciu badanych glebach, z których 2 kwasy: heneicosanowy i adypinowy wykazały charakter hydrofilowy i miały wpływ na pozorny kąt zwilżania badanych gleb (przy poziomie istotności α = 0,1). Materia organiczna gleby ma/może mieć istotny wpływ na wodne charakterystyki gleb mineralnych. Zgodnie z wnioskami wynikającymi z opracowanego modelu stwierdzono bardzo niewielki wpływ materii organicznej badanych gleb na krzywą osuszania retencji wodnej. Natomiast gałąź nawilżania tej zależności jest/ może być bardzo silnie modyfikowana przez obecność materii organicznej. Na podstawie przeprowadzonych rozważań teoretycznych i pomiarów przenoszenia wody w materiałach modelowych można stwierdzić, że retencja wodna jest właściwością materiałów nie tylko hydrofilnych lecz i hydrofobowych. Materiały kapilarno-porowate, takie jak gleba, zwilżane są przez roztwór glebowy jeśli rzeczywisty kąt zwilżania jest mniejszy od wartości krytycznej, której wartość zależy zarówno od właściwości powierzchniowych fazy stałej jak i topologii (kształtu) porów. Powierzchnia fazy stałej gleby ulega hydrofobizacji w wyniku pokrycia jej przez glebową materię organiczną. Badania modelowe świadczą, że zakres zmienności wartości rzeczywistego kąta zwilżania, przy których następuje zwilżanie gleb mineralnych może wynosić jedynie około 10°, a nie 90° jak podaje większość publikacji na ten temat. Stosunkowo mały wzrost rzeczywistego kąta zwilżania spowodowany obecnością materii organicznej powoduje bardzo znaczne zmniejszenie wartości zarówno sorpcyjności wodnej jak i współczynnik dyfuzji wodnej wszystkich badanych gleb w całym zakresie wilgotności co musi wpływać na mniejszą dynamikę procesów transportu roztworu glebowego w glebie.