Odczyn i właściwości buforowe gleb oraz zawartość glinu wymiennego w glebie

Podstawy teoretyczne

Wzajemny stosunek kationu wodorowego do anionu wodorotlenowego w wodnych roztworach związków chemicznych decyduje ich o odczynie. Roztwór wodny związku chemicznego ma odczyn obojętny wtedy, gdy stężenie przeciwstawnych jonów (H+ i OH-) jest równoważne, a jego pH wynosi 7. Roztwór posiada odczyn kwaśny jeśli stężenie kationu wodorowego przeważa nad stężeniem anionu wodorotlenowego, a pH roztworu jest mniejsze od 7. Analogicznie, roztwór ma odczyn zasadowy jeśli stężenie anionu wodorotlenowego jest większe niż kationu wodorowego, a jego pH jest większe od 7.

Gleba jest układem trójfazowym, w którym zawartość jonów w poszczególnych fazach pozostaje w ścisłej, współzależnej równowadze, na którą mają wpływ czynniki biotyczne i abiotyczne. Dlatego klasyfikacja odczynu gleby nie jest tak prosta i jednoznaczna jak w przypadku wodnych roztworów związków chemicznych, zwłaszcza iż ma ona dodatkowo uwzględniać charakterystykę warunków glebowych zasadniczych dla wzrostu i rozwoju roślin uprawnych. Kation wodorowy w glebie występuje zarówno w fazie ciekłej (roztworze glebowym) jak i na fazie stałej gleby. Ta część kationu wodorowego która znajduje się na fazie stałej gleby jest przez nią utrzymywana z różną siłą (wymiennie i niewymiennie). Znacznie mniejsza ilość kationu wodorowego niż na fazie stałej gleby znajduje się w roztworze glebowym. Należy wiedzieć, że aktualne stężenie kationu wodorowego w roztworze glebowym jest wyrazem równowagi dynamicznej stężeń tego jonu w fazie stałej gleby i roztworze glebowym. Oznacza to, że stężenie kationu wodorowego w roztworze glebowym jest tym większe im większa jego ilość jest nagromadzona w fazie stałej gleby. Na stężenie kationu wodorowego w roztworze glebowym mają również wpływ takie czynniki jak wilgotność gleby, temperatura oraz wymiana jonowa pomiędzy glebą a systemem korzeniowym roślin uprawnych. Te czynniki, oraz konieczność identyfikacji wpływu różnego stopnia zakwaszenia gleby na rozwój i plonowanie roślin sprawia, iż w odróżnieniu od roztworów wodnych związków chemicznych wyróżnia się nie 3 lecz 5 klas odczynu gleby. W/w czynniki decydują również o sposobie pomiaru pH gleby (dotyczącego aktualnego stężenia kationu H+ w roztworze glebowym). Pomiar pH gleby może być przeprowadzony w zawiesinie wodnej lub w 1M KCl. Pomiar przeprowadzony w zawiesinie KCl jest bardziej miarodajny jeśli chodzi o określenie faktycznego stanu zakwaszenia gleby niż pomiar w zawiesinie wodnej. W roztworze znajdują się bowiem nie tylko kationy wodorowe, których obecność jest wynikiem aktualnej równowagi ich stężenia w fazie stałej i ciekłej gleby. Do roztworu przechodzi również pewna ilość kationu wodorowego w wyniku reakcji wymiany między kompleksem sorpcyjnym gleby i KCl z roztworu. W ten sposób uzyskuje się w trakcie pomiaru mniejsze wartości pHgleby. Niemniej pomiar pH glebie roztworze KCl daje bardziej poprawny obraz stanu zakwaszenia gleby niż pomiar w zawiesinie wodnej ze względu na fakt iż obejmuje on również te jony H+, które utrzymywane są przez fazę stałą gleby najsłabiej, i które stosunkowo łatwo przechodzą do fazy ciekłej w dynamicznie zmieniających się warunkach glebowych. Popisane różnice wartości pH mierzonego w roztworze wodnym i KCl powiększają się wzaz ze wzrostem zakwaszenia gleby. Poniżej podano klasy odczynu gleby i odpowiadające im wartości pH:

Odczyn gleby

pH w H2O

pH w 1M KCl

gleby silnie kwaśne

< 5,0

< 4,5

gleby kwaśne

5,1 - 6,0

4,6 - 5,5

gleby słabo kwaśne

6,1 - 6,7

5,6 - 6,5

gleby obojętne

6,8 - 7,2

6,6 - 7,2

gleby zasadowe

> 7,2

> 7,2

Zalecane dawki nawozów wapniowych w t CaO. ha-1 oraz (w nawiasach) pHKCl dla poszczególnych przedziałów potrzeb wapnowania

Kategoria agronomiczna gleb

(tab. 3. 1.11.)

Potrzeby wapnowania i odpowiadające im wartości pH

konieczne

potrzebne

wskazane

ograniczone

zbędne

bardzo lekkie

3,0 (< 4,0)

2,0 (4,1 - 4,5)

1,0 (4,6 - 5,0)

(5,1 - 5,5)

(> 5,6)

lekkie

3,5 (< 4,5)

2,5 (4,6 - 5,0)

1,5 (5,1 - 5,5)

(5,6 - 6,0)

(> 6,1)

średnie

4,5 (< 5,0)

3,0 (5,1 -5,5)

1,7 (5,6 - 6,0)

1,0 ( 6,1 - 6,5)

(> 6,6)

ciężkie

6,0 (< 5,5)

3,0 (5,6 - 6,0)

2,0 (6,1 - 6,5)

2,0 (6,6 - 7,0)

(> 7,0)

Pomiar pH gleby, jest szybkim testem oceny stanu zakwaszenia gleby. Pozwala on na ocenę potrzeb wapnowania gleby oraz umożliwia dobór roślin do określonych warunków glebowych pola:

1. Grupa I to rośliny wrażliwe i bardzo wrażliwe na kwaśny odczyn gleby. Rośliny te najlepiej rozwijają się przy pHKCl około 6,0 ? 7,0. Do grupy tej zaliczamy jęczmień jary, pszenicę, buraki, bobik, lucernę, groch, kapustę, rzepak i konopie.

2. Grupa II to rośliny średnio wrażliwe na zakwaszenie. Największe plony uzyskujemy przy pHKCl 5,0 ? 6,0. Do grupy tej zaliczamy brukiew, rzepę, owies, ziemniaki, żyto, pszenżyto, len i łubin.

3. Grupa III to rośliny mało wrażliwe i dobrze rozwijające się w środowisku kwaśnym, gdzie pHKCl jest niższe niż 5,0. Do grupy tej zaliczyć można typowe rośliny gleb lekkich i kwaśnych takie jak: seradelę i łubin żółty.

Należy pamiętać, że w naszych warunkach glebowo-klimatycznych gleba ulega systematycznemu zakwaszeniu. Przyczyn tego zjawiska jest wiele. Zasadniczym czynnikiem decydującym o postępującym zakwaszeniu gleby jest skład mineralogiczny skał macierzystych, z których wytworzone są gleby. Na przeważającej części powierzchni kraju gleby zostały wytworzone ze skał polodowcowych ubogich kationy zasadowe: wapń i magnez ? odpowiedzialne za zobojętnienie kwasów występujących glebie. Dodatkowo, w naszej strefie klimatycznej mamy do czynienia z przewagą opadów nad ewapotranspiracją, co przyczynia się do wymywania kationów zasadowych z warstwy ornej gleby do głębszych poziomów profilu glebowego. Równolegle, w glebie zachodzą procesy zwiększające zawartość w niej kationu wodorowego:

- mineralizacja substancji organicznej, której produktem jest CO2 - bezwodnik kwasowy kwasu węglowego

- nitryfikacja kationu amonowego będąca przyczyną pojawienia się w glebie H+ i NO3-

- utlenianie związków siarki, którego produktami są H+ i SO42-

- wietrzenie minerałów uwalniające do gleby m.in. H+ i Al3+

- hydroliza kationu glinu z wydzieleniem kationu H+:

[Al(H2O)3]3+ + H2O = [Al(OH)(H2O)2]2+ + H+

[Al (OH)(H2O)2]2+ + H2O = [Al(OH)2H2O] + + H+

[Al (OH)2H2O]+ + H2O = Al (OH)3+ H+

Procesy te zachodzą w sposób naturalny. Zmiany odczynu gleby na obszarach nie objętych działalnością człowieka mają miejsce, lecz zachodzą powoli. Jest to spowodowane stosunkowo niewielką dynamiką przemian biotycznych i abiotycznych w środowisku naturalnym oraz tylko nieznacznym ubytkiem kationów zasadowych z gleby wyniku wymywania. Rośliny (zwłaszcza głęboko korzeniące się) wynoszą z głębszych poziomów gleby wapń i magnez do organów wegetatywnych i generatywnych. Po zakończeniu okresu wegetacji organy te opadają na powierzchnię gleby i w wyniku mineralizacji składniki te uwalniane są do gleby. Zważywszy, że na obszarach niezmienionych działalnością człowieka gleba jest przeważnie osłonięta roślinnością, dlatego intensywność przemywania profilu glebowego jest stosunkowo niewielka. Obieg wapnia i magnezu wy tych warunkach jest tylko w niewielkim stopniu otwarty. To właśnie jest główną przyczyną powolnych zmian odczynu gleb na obszarach nie objętych działalnością człowieka. Na obszarach zagospodarowanych rolniczo zakwaszenie gleby zachodzi szybko. Powodem tego jest przede wszystkim:

- stosowanie nawozów mineralnych (zwłaszcza zakwaszających glebę (azotowych i potasowych),

- pobieranie przez rośliny składników pokarmowych w formie jonowej,

- intensyfikacja naturalnych procesów biotycznych i abiotycznych poprzez: dostarczanie substratów biorących udział w procesach mikrobiologicznych prowadzących do zakwaszenia gleby, natlenianie gleby w wyniku uprawy mechanicznej, inicjowanie hydrolizy Al3+ poprzez obniżenie pH gleby poniżej 5,5.

Zasadniczym dla produkcji roślinnej skutkiem zakwaszenia gleby jest pojawienie się w niej w glinu Al3+ wyniku wietrzenia minerałów i przemian związków chemicznych kationu. Wykazuje on toksyczne działanie w stosunku do roślin. Objawy toksycznego działania tego jonu pojawiają się na roślinach wtedy, gdy zawartość Al3+ w glebie przekroczy 10mg ? kg-1. Toksyczne działanie kationu glinu polega przede wszystkim na upośledzeniu funkcji systemu korzeniowego, odpowiedzialnego za zaopatrzenie roślin w wodę i składniki pokarmowe. Dlatego właśnie zakwaszenie gleby i jego podstawowy efekt jakim jest pojawienie się w niej Al3+ jest przyczyną zmniejszenia plonów roślin od 20 nawet do 50% w stosunku do gleb regularnie wapnowanych. Inne skutki zakwaszenia gleby to:

- wzmożone straty składników pokarmowych z gleby, a głównie wapnia i magnezu, na skutek ich wymywania w głąb profilu glebowego. Szacuje się, że w naszych warunkach klimatycznych straty wapnia i magnezu z pól uprawnych na drodze wymywania wynoszą odpowiednio 40 ? 230 kg . ha-1 dla Ca i 10 ? 60 kg . ha-1 dla Mg,

- w glebach kwaśnych zmniejsza się dostępność niektórych składników pokarmowych dla roślin, które przy kwaśnym odczynie gleby przechodzą w formy trudno przyswajalne (np. fosforu, molibdenu czy boru),

- ograniczanie rozwoju wielu grup mikroorganizmów glebowych, takich jak np. bakterie nitryfikacyjne, symbiotyczne i wolno żyjące bakterie asymilujące azot z powietrza (co zmniejsza dostępność związków azotu dla roślin). Ponadto w glebach kwaśnych zmniejsza się aktywność wielu innych grup mikroorganizmów glebowych biorących udział w procesach mineralizacji i humifikacji materii organicznej. W warunkach kwaśnego odczynu gleby procesy te są znacznie spowolnione, gdyż przebiegają głównie przy udziale grzybów, które dobrze tolerują niskie pH gleby,

- zmniejszenie ilości materii organicznej w glebie na skutek mniejszej produkcji biomasy i tym samym mniejszej ilości resztek roślinnych ulegających w glebie między innymi transformacji do związków humusowych oraz wzrostu rozpuszczalności i wymywania w głąb profilu glebowego kwasów fulwowych. wzrost aktywności wielu metali ciężkich (np. Mn, Fe, Zn, Cu,Cd, Pb i inne), których dostępność dla roślin zwiększa się wraz z obniżaniem pH gleby, na skutek wzmożonej ich desorpcji do roztworu glebowego,

- pogorszenie struktury agregatowej gleby.

Należy pamiętać, że jedynym sposobem utrzymania optymalnego dla wzrostu roślin odczynu gleby (słabo kwaśnego) jest systematyczne wapnowanie.

Zakwaszenie gleby będące skutkiem działania zespołu czynników naturalnych jest procesem długotrwałym. Jest to związane ze stosunkowo niewielką intensywnością procesów biotycznych i abiotycznych prowadzących do pojawienia się w glebie kationu wodorowego. Upraw roślin, a zwłaszcza nawożenie jest związane z wprowadzeniem do gleby dużych ilości związków chemicznych ulegających przemianom chemicznym, mikrobiologicznym i pobraniu przez rośliny jonów wchodzących w ich skład. W związku z tym w stosunkowo krótkim czasie w glebie może pojawić się znaczna ilość kwasów lub zasad, które potencjalnie mogłyby wpłynąć na zmianę odczynu gleby. Gwałtowna zmiana odczynu gleby zwłaszcza w trakcie okresu wegetacji zachodząca pod wpływem dostarczenia nawozów mogłaby spowodować zmniejszenie plonów lub wręcz wypadnięcie roślin. Jednak dzięki właściwościom buforowym gleby przeważnie tak się nie dzieje. Ogólnie, właściwości buforowe gleby to jej zdolność do przeciwstawiania się nagłym zmianom odczynu. Właściwości te są warunkowane występowaniem w glebie kilku podstawowych układów buforowych. Układem buforowym może być mieszanina kwasu wieloprotonowego i jego soli pozostających na różnym stopniu uwodornienia. Podstawowym układem buforowym w glebie jest układ działający w oparciu o kompleks sorpcyjny. Z chemicznego punktu widzenia kompleks sorpcyjny gleby jest wodorosolą (kwaśną solą) słabego kwasu. Resztę kwasową stanowią tu zarówno łańcuchy związków organicznych (substancji próchnicowych) jak i reszty kwasowe słabych kwasów mineralnych. Towarzyszą im kationy wodorowe i kationy zasadowe (H+, Ca2+, Mg2+, K+? zabsorbowane na kompleksie sorpcyjnym). Jeśli w roztworze glebowym nagle zwiększa się stężenie kationu wodorowego, to jest on zobojętniany przez kationy zasadowe znajdujące się na kompleksie sorpcyjnym gleby. Wówczas w roztworze powstają sole wapnia i magnezu (i innych kationów zasadowych) nie mające wpływu odczyn gleby, a kation wodorowy mogący gwałtownie zmienić odczyn gleby jest wiązany wymiennie i niewymiennie na fazie stałej i również nie wpływając na odczyn gleby. Podobnie funkcjonuje mechanizm buforowy kompleksu sorpcyjnego gleby, jeśli w roztworze glebowym gwałtownie zwiększy się stężenie zasad. Wówczas kation wodorowy zabsorbowany wymiennie i niewymiennie na fazie stałej gleby wchodzi w reakcję z zasadami zobojętniając je. W miejsce H+ na kompleksie sorpcyjnym pojawiają się kationy zasadowe, a produktem zobojętnienia zasad jest woda. Innym układem buforowym gleby jest bufor węglanowy. Składa się on z węglanu wapnia i kwasu węglowego CO2 + H2O. jeśli w roztworze glebowym zwiększy się gwałtownie stężenie kwasu (H+) wówczas dojdzie jego zobojętnienia przez glebowy węglan wapnia:

CaCO3 + CO2 + H2O = CaCO3 + H2O

Zdolność buforowania kwasów i zasad posiadają również - bufor fosforanowy H3PO4, Ca(H2PO4)2, CaHPO4, Ca3(PO4)2 działający na podobnej zasadzie co bufor węglanowy oraz wodorotlenki glinu: Al(OH)3 + 3 HCl ? AlCl3 + 3H2O. ten układ buforowy bierze udział w neutralizacji jonów wodorowych w glebach o pH poniżej 5,0. Należy pamiętać, że funkcjonowanie układu buforowego przemija jeśli w wyniku reakcji zobojętniania kwasów lub zasad glebowe zasoby jednego ze składników układu (np. węglan wapnia w przypadku buforowania kwasów) ulegną wyczerpaniu (np. w bielicach). Wówczas nawet niewielki dodatek czynnika zmieniającego odczyn spowoduje gwałtowną jego zmianę. Właściwości buforowe oznaczamy poprzez traktowanie prób glebowych wzrastającymi ilościami kwasu i zasady. Po określonym czasie dokonywany jest pomiar pH stężenia jonów wodorowych w zawiesinie glebowej. Na tej podstawie wykreśla się krzywe zmian pH. Punktem odniesienia dokonanych pomiarów jest gleba pozbawiona właściwości buforowych, czyli piasek kwarcowy z którym postępujemy podobnie jak z badaną glebą. Przy wykreślaniu krzywych buforowych dla badanej gleby oraz dla piasku zawsze postępujemy tak samo, a mianowicie na osi odciętych odkładamy wzrastające ilości kwasu lub zasady, a na osi rzędnych wartości pH naszej badanej zawiesiny. Oceny wielkości właściwości buforowych dokonujemy na podstawie wielkości pola powierzchni buforowej jakie powstaje między krzywą dla piasku kwarcowego, a krzywą dla danej gleby. Im pole jest większe tym gleba ma większe właściwości buforowe względem kwasów lub zasad.

Oznaczenie pH metodą potencjometryczną.

Wykonanie oznaczenia jest również stosunkowo proste. Do dwóch zlewek lub kolbek na 50 ml należy odważyć po 10 g powietrznie suchej gleby przesianej przez sito o oczkach 1mm. Do jednej zlewki należy dodać 25 ml wody destylowanej, a do drugiej 25 ml 1 mol . dm-3 KCl. Zawartość należy dobrze wymieszać i pozostawić na okres co najmniej 2 godzin. W przypadku dużej zawartości materii organicznej należy glebę pozostawić na okres 6 do 8 godzin. Przed pomiarem glebę ponownie mieszamy i dokonujemy pomiaru za pomocą pehametru odczytując ze skali wartości pH.

Wykonanie oznaczenia zawartości glinu wymiennego w glebie

Do butelek plastikowych o objętości 500 cm3 naważyć na wadze technicznej 40 g gleby, odmierzyć 100 cm3 roztworu 1M KCl i ekstrahować glebę na mieszadle obrotowym prze 1 godzinę. Przesączyć ekstrakt przez sączek twardy i zmierzyć zawartość jonów glinu w roztworze metodą ASA.

Wykonanie oznaczenia właściwości buforowych gleby

Do dwunastu zlewek o pojemności 50 cm3 odważyć po 10 g dowolnie wybranej, powietrznie suchej gleby przesianej przez sito o oczkach 1mm. Następnie dodawać do pierwszych sześciu zlewek 1, 2, 4, 6, 8, 10 cm3 roztworu HCl o stężeniu 0,05 mol .dm-3, a do kolejnych sześciu zlewek należy dodać 1, 2, 4, 6, 8, 10 cm3 Ca(OH)2 o stężeniu 0,05 mol .dm-3. Wszystkie zlewki należy uzupełnić do 25 cm3 wodą destylowaną. Do kolejnych 12 zlewek odważamy po 10 g piasku kwarcowego i dalej postępujemy identycznie jak z badanymi próbkami glebowymi. Po dodaniu wody wszystkie próbki mieszamy przez 5 minut i odstawiamy na okres 2 godzin. Po tym czasie należy potencjometrycznie oznaczyć pH gleby oraz piasku kwarcowego. Otrzymane wyniki nanosimy na papier milimetrowy, gdzie wykreślamy krzywe buforowe dla piasku i badanej gleby.
Senast ändrad: poniedziałek, 10 sierpnia 2015, 22:49