View
214
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Gleboznawstwo i geomorfologia
Wykład dla studentów ochrony środowiska I rok
„...nie ma życia bez gleby, ani gleby bez życia”
Stanisław Miklaszewski (1907)
ZAGADNIENIA ORGANIZACYJNE
Spotkania co tydzień w zakresie 90 minut,
Liczba wykładów – 15,
Ostatnie spotkanie – test zaliczeniowy; wg nowych przepisów wykłady Z (zaliczenie na ocenę), zaliczane są przed rozpoczęciem sesji egzaminacyjnej (ostatni wykład). Brak zaliczenia w tym terminie oznacza powtarzanie przedmiotu (brak jest możliwości zaliczenia w terminie poprawkowym).
Istnieje możliwość zwolnienia z testu dla najlepszych osób, tj. z oceną 5 z ćwiczeń.
2
ZAGADNIENIA ORGANIZACYJNE LITERATURA
Geomorfologia, Piotr Migoń, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006
Gleboznawstwo, Saturnin Zawadzki, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa 1999
Wybrane metody badań gleboznawczych, J. Gliński, Z. Stępniewska, R. Turski, R. Bennicelli, A. Wolińska, A. Szafranek, P. Charytoniuk, EkoKul, Lublin 2002.
3
WPROWADZENIE
Celem wykładu jest przybliżenie studentom czym jest powierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej, a w szczególności:
• formami rzeźby terenu (geomorfologia)
• strukturą i właściwościami tej części skorupy Ziemi czyli gleb (gleboznawstwo)
4
WPROWADZENIE
Zrozumienie budowy, powstawania, przemian i funkcjonowania powierzchni Ziemi pozwoli lepiej zrozumieć zagrożenia na jakie jest narażona oraz potrzebę jej ochrony.
Stąd też będą wynikać zalecenia dotyczące odbudowy zniszczonych (zdegradowanych lub zdewastowanych) gleb za pomocą technik rekultywacji i remediacji (może będzie wykład za rok).
5
Jak wiele mamy gleby?
Zaledwie 3% powierzchni Ziemi stanowią gleby, które wykorzystuje człowiek do swej egzystencji wliczając produkcję żywności.
Z tego powodu ochrona tego, nieodnawialnego źródła naturalnych zasobów (podobnie jak woda i powietrze) jest ważnym zagadnieniem.
10
Geomorfologia to termin z języka greckiego:
geo - „Ziemia”, morfo - „forma”, logos -„rozmowa,
rozprawa”.
Jest nauką o formach rzeźby i formowaniu powierzchni
Ziemi, jej ukształtowaniu. Wchodzi w skład Nauk o Ziemi
(Geosciences) badających poszczególne elementy
środowiska geograficznego.
ZADANIA I PRZEDMIOT GEOMORFOLOGII
12
Przedmiotem i zadaniem badań geomorfologicznych jest
rzeźba powierzchni Ziemi. W obecnej rzeźbie są widoczne
formy stare, utworzone w dawnych, przeważnie
odmiennych warunkach środowiskowych, oraz formy
młode utworzone w dzisiejszych warunkach klimatycznych.
Z analizy form najmłodszych, rozpatrywanych na tle
dzisiejszych warunków geologicznych, orograficznych,
klimatycznych, hydrograficznych, roślinnych i
gospodarczych można wnosić o dalszych tendencjach
rozwoju rzeźby.
13
Do form rzeźby powierzchni Ziemi zaliczamy układy hierarchiczne o rosnącej złożoności.
Do dużych zaliczamy np. kontynenty i łańcuchy górskie, mniejsze to np. doliny rzeczne, a najmniejsze (mikroformy) to np. kociołki wietrzeniowe.
Duże formy zbudowane są z zespołów form mniejszych i na ogół rozwijają się dłużej.
Zagadnienia dotyczące poszczególnych form zostaną dokładnej opisane na kolejnych wykładach.
14
Badanie rzeźby polega na:
• opisywaniu form powierzchni Ziemi (m o r f o g r a f i a),
• np. dolina, wyżyna, dolina
• ustalaniu cech geometrycznych (m o r f o m e t r i a),
• długość, wysokość, nachylenie
• określaniu pochodzenia (m o r f o g e n e z a),
• oznaczaniu wieku form (m o r f o c h r o n o l o g i a).
Badane są zarówno formy pojedyncze i na tej podstawie są
wyróżniane genetyczne typy form, jak również zespoły form, co
umożliwia wydzielanie genetycznych typów rzeźby.
Badanie form, a zwłaszcza badanie ich powstania i mechanizmu rozwoju,
przeprowadza się zawsze na tle i w powiązaniu z innymi elementami środowiska
geograficznego, zmieniającymi się w ciągu tego rozwoju. 15
Geomorfologia jako dział geografii, czasem geologii,
usamodzielniła się dopiero przed ok. 200 laty. Jej bujny rozwój w
ciągu ostatnich 100 lat doprowadził, podobnie jak w innych
naukach, do wyodrębniania się działów, gałęzi i kierunków.
Uwzględniając zadania i metody badawcze, rozróżnia się:
geomorfologię historyczną
geomorfologię dynamiczną
PODZIAŁ GEOMORFOLOGII
16
Zadaniem geomorfologii historycznej są badania
zmierzające do poznania rozwoju geomorfologicznego
określonego obszaru oraz dalszych jego tendencji
rozwojowych na tle budowy geologicznej i w powiązaniu z
pozostałymi elementami środowiska geograficznego,
zmieniającymi się w ciągu tego rozwoju.
Stosuje się tu metodę dedukcyjną; na podstawie analizy
form o określonym wyglądzie, rozmiarach, pochodzeniu i
wieku są odtwarzane czynniki i procesy rzeźbotwórcze oraz
etapy rozwoju rzeźby.
17
Zadaniem geomorfologii dynamicznej jest poznawanie
genezy i mechanizmu rozwoju form na podstawie badania
dzisiejszych sił i procesów rzeźbotwórczych, którymi rządzą
prawa fizyczne.
Stosuje się tu metodę indukcyjną; badania polegają na:
1) bezpośredniej obserwacji przebiegu i pomiarach natężenia
procesów morfogenetycznych (rzeźbotwórczych) w terenie,
2) kontroli zdarzeń i wykonywaniu doświadczeń w
laboratoriach,
3) kameralnych pomiarach procesów opartych na
powtarzanych naziemnych i lotniczych zdjęciach
fotogrametrycznych oraz na porównywaniu ze sobą map z
różnych okresów. 18
Ze względu na cel i zakres rozróżnia się:
geomorfologię ogólną
geomorfologię regionalną
Geomorfologia ogólna zmierza przez badania
poszczególnych form i typów rzeźby w skali całej Ziemi do
poznania praw rozwoju różnych form i typów rzeźby.
Geomorfologia regionalna zmierza przez badanie
wszystkich form na określonym obszarze do poznania
charakteru, pochodzenia i rozwoju rzeźby tego obszaru.
19
Obok metod geomorfologicznych stosuje się zapożyczone,
pomocnicze metody:
geodezyjne,
fotograficzne i fotogrametryczne,
geologiczno-geofizyczne,
petrograficzno-sedymentologiczne,
gleboznawcze,
botaniczne i paleobotaniczne,
zoologiczne i paleontologiczne,
hydrologiczne,
hydrodynamiczne i metody historyczne (T. Gerlach i in.
1978). 20
Geodezja dostarcza geomorfologom wiadomości o wielkości i
kształcie Ziemi oraz danych o ukształtowaniu w postaci map
topograficznych.
Znajomość budowy geologicznej pozwala geomorfologowi na:
określenie roli składu i ułożenia skał w rozwoju rzeźby,
śledzenie powiązań między rzeźbą a budową geologiczną,
oznaczenie pochodzenia i wieku form.
Wspólną z geologią dziedziną zainteresowań jest skorupa ziemska
oraz czynniki i procesy na niej zachodzące. Znajomość tych
czynników służy geologom do wyjaśnienia genezy osadów, natomiast
geomorfologom do wyjaśnienia genezy form.
21
Geofizyka informuje o budowie Ziemi oraz o siłach i procesach
endogenicznych, stwarzających zasadnicze nierówności powierzchni
Ziemi, a także i ukształtowaniu kopalnych powierzchni.
Hydrologia daje geomorfologom znajomość praw krążenia wód
morskich oraz praw rządzących ruchem wód powierzchniowych,
podpokrywowych i podziemnych, warunkujących przebieg i rozmiary
erozji, transportu i akumulacji.
Hydrografia zaś informuje o obiegu wód i reżimach rzek, w dużym
stopniu uzależnionych od ukształtowania dorzecza.
Klimatologia dostarcza bardzo ważnych wiadomości o elementach
klimatu, decydujących o charakterze, przebiegu i natężeniu głównych
procesów rzeźbotwórczych.
22
Glacjologia dostarcza wiadomości o ruchu lodowców i prawach
tym ruchem rządzących, natomiast geomorfologia udowadnia wielki
wpływ ukształtowania podłoża na charakter i przebieg glacjacji i
deglacjacji.
Pedologia (gleboznawstwo) informuje o rozmieszczeniu,
miąższości, składzie oraz o właściwościach fizycznych i chemicznych
gleb, warunkujących ich różne podatności na procesy
morfogenetyczne. Gleby kopalne umożliwiają datowanie form, na
których się zachowały.
23
Powiązania geomorfologii z zoologią i paleontologią także
przynoszą ciekawe wyniki. Okazuje się, że zwierzęta nie tylko
stwarzają różnego rodzaju mikroformy, ale także przyspieszają
skuteczność procesów morfogenetycznych. Podobnie jak kopalne
szczątki roślinne, również kopalne szczątki zwierzęce pomagają
określić wiek form, są także cennymi wskaźnikami
paleośrodowiskowymi.
W naukach ekonomicznych i antropogeografii rola geomorfologii
jest niestety mało doceniana. Tymczasem znajomość ukształtowania
terenu i kształtujących go procesów jest konieczna zarówno przy
analizowaniu, jak i planowaniu osadnictwa, komunikacji, rolnictwa,
przemysłu, zakładów energetycznych, turystyki itp. – i odwrotnie
społeczeństwo jest jednym z czynników modelujących, a raczej
przeobrażających powierzchnię Ziemi. 24
W ostatnich dziesięcioleciach wystąpiły tendencje do rozróżniania
geomorfologii strukturalnej i geomorfologii klimatycznej oraz
wprowadzenia i lansowania tzw. geomorfologii ilościowej,
teoretycznej, stosowanej, a także w zależności od dziedziny
zainteresowania: geomorfologii peryglacjalnej, glacjalnej, literalnej
i antropogenicznej. Wymienione „geomorfologie" są kierunkami
badań i nie mogą pretendować do samodzielności lub odrębności.
KIERUNKI W GEOMORFOLOGII
25
Istnieją dwa przeciwstawne kierunki w geomorfologii
dotyczące czynników kształtujących procesy tworzenia
form.
1. Geomorfologia strukturalna (tradycyjna) – zakłada
dominujący wpływ budowy geologicznej na przebieg
procesów rzeźbotwórczych i charakter powstających
form.
2. Geomorfologia klimatyczna, uważana jest za bardziej
nowoczesną, traktuje ona uwarunkowania zewnętrzne
(klimat) jako główny czynnik rzeźbotwórczy,
pomniejszając rolę czynnika geologicznego. 26
Powiązanie rzeźby i procesów rzeźbotwórczych z warunkami
klimatycznymi doprowadziło do twierdzenia, że istnieje tyle cyklów
rozwojowych, ile dziedzin klimatycznych. Na podstawie klasyfikacji
klimatycznej, głównie W. Kóppena (1900), wyróżniono:
1 - cykl w klimacie umiarkowanym wilgotnym (W.M. Davis 1899),
2 - cykl w klimacie suchym (W.M. Davis 1899),
3 - cykl w klimacie zimnym (W.M. Davis 1899),
4 - cykl w klimacie peryglacjalnym (C. Troll 1944),
5 - cykl w klimacie półsuchym (C. Cotton 1947),
6 - cykl w klimacie sawannowym (C. Cotton 1947),
7 - cykl w klimacie gorącym wilgotnym (C. Cotton 1947).
27
Mimo istniejących podziałów przyjmuje się, że istnieje
jedna geomorfologia, badająca formy i formowanie
powierzchni Ziemi w nawiązaniu do budowy geologicznej
oraz warunków klimatycznych, które panowały w czasie
całego rozwoju geomorfologicznego danego obszaru aż po
czasy dzisiejsze. Do określenia roli obecnego i dawnych
klimatów w rozwoju rzeźby jakiegoś obszaru jest konieczne
datowanie form według chronologii geologicznej oraz
znajomość warunków paleoklimatycznych.
28
Geomorfologia ilościowa przedstawia za pomocą
analizy statystycznej elementy rzeźby oraz czynniki i
procesy rzeźbotwórcze w kategoriach liczbowych
(ilościowych, quantitavie geomorphology) (A. Strahler
1954).
Geomorfologia teoretyczna przedstawia przy użyciu
wzorów zmiany kształtów form, traktowanych jak bryły
geometryczne, zgodnie z prawami fizyki (A. Scheidegger).
Geomorfologia stosowana (applied geomorphology)
zmierza do oceny przydatności różnych form terenu dla
różnych działów gospodarki (prace inżynieryjne,
planowanie regionalne itp.).
CDN… 29
PODSTAWOWE POJĘCIA GLEBOZNAWCZE
31
Gleboznawstwo (pedologia) - dział nauk przyrodniczych, który zajmuje się badaniem gleb
Celem jest poznanie:
1) procesów powstawania i przekształcania gleb,
2) budowy gleb,
3) składu mineralnego,
4) właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych gleb,
5) przydatności rolniczej i żyzności gleb,
6) przestrzennego rozmieszczenie jednostek systematycznych,
7) funkcji gleb w ekosystemach.
Gleboznawstwo (pedologia) jest nauką interdyscyplinarną -
wykorzystuje wyniki badań geologii, mineralogii, petrografii,
geochemii, mikrobiologii, ekologii, itp.
Podejścia go zagadnień glebowych:
• gleboznawstwo terenowe (idiograficzne) – opis, klasyfikacja gleb
i ich części składowych,
• gleboznawstwo analityczne (nometyczne) – prawa dotyczące
zjawisk glebowych, badania procesów fizycznych chemicznych i
biologicznych.
32
GLEBA (PEDOSFERA) – przedmiot gleboznawstwa jest naturalny twór przyrody, stanowiący wierzchnią warstwę litosfery, który wytworzył się w ze zwietrzeliny skalnej pod wpływem oddziaływania czynników biotycznych i abiotycznych działających w czasie.
Miejsce pedosfery wśród pozostałych geosfer (wg. Hanes’a, 1997) 33
Najważniejsze cechy gleby:
jest tworem dynamicznym, tzn. zmiennym w czasie (ciągłe przemiany chemiczne, mineralizacja, humifikacja, przemieszczanie substancji, podział i obumieranie mikroorganizmów),
jest układem wielofazowym (faza stała – tworzywo mineralne i substancja organiczna, faza ciekła – woda glebowa i faza gazowa – powietrze glebowe),
jest zdolna do zaspokajania potrzeb pokarmowych i wodnych roślin, a pośrednio zwierząt,
jest integralnym elementem wszystkich ekosystemów lądowych i niektórych wodnych
34
Pojęcia odnoszące się do wierzchniej warstwy litosfery
(nie będące synonimami gleby)
35
grunt, najszersze znaczenie, całość lub część posiadanej powierzchni, np. grunty rolne, grunty zajęte pod nieruchomości. W naukach technicznych - pojęcie gruntoznawstwo, odnosi się do poznania cech podłoża, na którym ma być postawiony budynek, ze szczególnym uwzględnieniem poziomu wód gruntowych, uziarnienia, głębokości przemarzania itp.
ziemia – w ogrodnictwie to specjalnie przygotowane podłoże dla określonej uprawy, np. ziemia do kwiatów, również pojęcie tradycyjne, w znaczeniu tj. przywiązanie do ziemi.
podłoże – w ogrodnictwie - warstwa, w której rozwijają się podziemne części roślin, w gleboznawstwie pojęcie węższe, dotyczy warstwy podścielającej w glebach niecałkowitych (miąższość gleby powstałej na materiale skalnym jednorodnego pochodzenia jest mniejsza niż 150 cm).
rola – warstwa gleby zajmowana pod uprawę.
podglebie – warstwa gleby pod warstwą orną.
Proces glebotwórczy – całokształt zjawisk fizycznych,
chemicznych i biochemicznych, zachodzących w powierzchniowej
warstwie skorupy ziemskiej, w wyniku których ze zwietrzeliny
skalnej w określonych warunkach rzeźby terenu i klimatu kształtuje
się profil glebowy.
Proces tworzenia się gleby wg Hanes’a, 1997
36
Czynniki glebotwórcze – zespół elementów środowiska
geograficznego, których układ ukierunkowuje proces kształtowania
się gleb.
• skała macierzysta,
• klimat,
• biosfera,
• ukształtowanie powierzchni (relief, rzeźba terenu),
• hydrosfera,
• czas
37
Profil glebowy – pionowy przekrój przez wszystkie poziomy
genetyczne gleby (od powierzchni do skały macierzystej).
Uzewnętrznia cechy gleby wytworzone w czasie procesu
glebotwórczego, zachodzącego pod wpływem działania czynników
glebotwórczych.
38
Pedon – najmniejsza jednorodna pod względem genetycznym
objętość gleby pozwalająca na zbadanie i zdefiniowanie wszystkich
typowych jej elementów składowych, poziomów genetycznych i
właściwości w danym momencie. W praktyce jest to graniastosłup o
wysokości równej miąższości gleby i powierzchni górnej
wielobocznej równej od 1 do kilku metrów kwadratowych).
39
Morfologia gleby – dział gleboznawstwa, który opisuje cechy
zewnętrzne profilu glebowego.
Poziom genetyczny – warstwa
mineralna lub organiczno-mineralna,
znajdująca się w obrębie profilu
glebowego, w przybliżeniu równoległa
do powierzchni gleby, odróżniająca się
od sąsiednich poziomów stosunkowo
jednorodną barwą, strukturą, składem
chemicznym, zawartością materii
organicznej i innymi cechami
ukształtowanymi głównie na drodze
działania procesu glebotwórczego.
40
Miąższość gleby – jedna z cech morfologicznych, jest to sumaryczna
grubość wszystkich poziomów czy warstw objętych procesami
glebotwórczymi.
FUNKCJE GLEBY wg ISO(International Organization for
Standarization „Soil Quality” ISO/TC190)
41
1. Kontrola obiegu pierwiastków i energii w ekosystemach (obieg węgla, azotu, siarki), wpływ na globalne zmiany klimatyczne (mineralizacja substancji organicznej, powstawanie CO, CO2).
2. Nośnik konstrukcji inżynierskich i budynków - podłoże dla zakładów przemysłowych, osiedli mieszkaniowych
(dzienny ubytek powierzchni ziemi zajętej przez industrializację i urbanizację w Polsce 10 ha, w Austrii 20 ha, w Niemczech 120 ha).
3. Nośnik produkcji rolnej – gleba jako miejsce produkcji biomasy, a wiec transformacji energii słonecznej w chemiczną energię fitomasy. Stwarza zabezpieczenie warunków życia roślin, zwierząt i człowieka.
Powstają produkty żywnościowe, pasza dla zwierząt hodowlanych, odnawialne źródła energii, tekstylia, drewno, lekarstwa z ziół.
4. Gromadzenie i ochrona zapasów wody - gleba filtruje, buforuje i przekształca szkodliwe substancje chemiczne zawarte w wodzie opadowej, wpływając na jakość wody pitnej i jakość produkowanej żywności.
5. Rezerwuar genetyczny - siedlisko wielkiej ilości organizmów oraz niezmierzone zasoby genów (glebowe DNA)
powodują duże zainteresowanie biotechnologii i inżynierii genetycznej. W glebie żyje ok. 400 razy więcej gatunków organizmów niż na jej powierzchni.
6. Ochrona części archiwów historii przyrody i archiwum archeologiczne (znaleziska paleontologiczne i archeologiczne).
42
FUNKCJE GLEBY wg ISO(International Organization for
Standarization „Soil Quality” ISO/TC190)
Funkcja produkcyjna, retencyjna, filtrująca, sanitarna, nośnika konstrukcji 43
FUNKCJE GLEBY wg ISO(International Organization for
Standarization „Soil Quality” ISO/TC190)
Filtracja wody
Produkcja rolna i leśna
Podłoże pod zabudowę
Źródło surowców mineralnych
FUNKCJE LITOFSERY
44
Rezerwuar genetyczny
Dziedzictwo kulturowe
GENEZA GLEBY
45
I. Wietrzenie skał i minerałów pod wpływem czynników zewnętrznych (atmosfera, woda, organizmy żywe)
a) Wietrzenie fizyczne (mechaniczne) – rozpad skał pod wpływem zmian temperatury wywołanych nasłonecznieniem, mrozem (różne współczynniki rozszerzalności cieplnej minerałów budujących skały). Ma znaczenie na obszarach o dużych rocznych i dobowych wahaniach temperatur (góry, pustynie, stepy).
Czynniki sprzyjające wietrzeniu:
- wilgotność – zamarzanie wody w szczelinach skał,
- obecność roślin – mechaniczne działanie korzeni.
b) Wietrzenie chemiczne i biochemiczne - rozpad skał i minerałów pod wpływem wody (szczególnie z rozpuszczonym CO2, kwasami humusowymi).
GENEZA GLEBY – wietrzenie skał i minerałów
46
Procesy wietrzenia chemicznego i biochemicznego
1. Hydroliza
rozpuszczanie minerałów, głównie krzemianów i glinokrzemianów w wodzie
K2Al2Si6O16 + 3H2O → 2KOH + H2Al2Si2O8 ۰H2O + 4SiO2
ortoklaz kaolinit krzemionka
2. Hydratacja (uwadnianie)
najczęściej łącznie z hydrolizą, pod działaniem bezwodnika kwasu węglowego i tlenu
FeCO3 + H2O → Fe(OH)2 + CO2
3. Utlenianie (oksydacja) np. przejście magnetytu w hematyt.
4. Odtlenianie (redukcja) – zachodzi przy braku tlenu w obecności
substancji organicznej i bakterii redukujących, np. odtlenianie
połączeń żelazowych prowadzi do zmiany barwy skał z
czerwonobrązowej w białożółtą.
5. Karbonatyzacja (uwęglowienie) – powstają węglany i
dwuwęglany.
CaCO3 + H2CO3 → Ca(HCO3)2 +H2O + CO2
6. Desilikacja (odkrzemionkowanie) – ubytek krzemionki z
krzemianów i glinokrzemianów
47
GENEZA GLEBY – wietrzenie skał i minerałów
II. Zasiedlenie zwietrzeliny skalnej przez mikroorganizmy.
Zwietrzały materiał staje się bazą dla rozwoju mikroorganizmów, które powodują biologiczny obieg materii, obejmujący:
- powstawanie,
- migrację,
- gromadzenie w powierzchniowej warstwie zwietrzeliny skalnej substancji organicznych i połączeń organiczno-mineralnych.
Powstaje nowa jakość – żyzność gleby.
III. Różnicowanie się poziomów genetycznych w profilu glebowym.
Przemieszczanie niektórych substancji mineralnych i organicznych w pionie wraz z wodą opadową powoduje różnicowanie się cech gleby na różnych głębokościach.
48
GENEZA GLEBY – wietrzenie skał i minerałów
Recommended