Odczyn gleby
Odczyn gleby – właściwość gleby wyrażona przez stosunek stężenia jonów wodorowych H+ do jonów wodorotlenkowych OH- w roztworze glebowym lub roztworze równoważnym z glebą. Odczyn wskazuje na kwasowość lub zasadowość gleby.
Odczyn gleby wyraża się poprzez stężenie jonów wodorowych wyrażone w molach H+ na dm3. W praktyce zazwyczaj stosuje się wygodniejszą skalę stężeń (dokładniej: aktywności) jonów wodorowych - skalę pH[1].
Pomiar pH najczęściej dokonuje się w wodzie oraz w roztworze chlorku potasu. Różnica pomiędzy nimi zazwyczaj wynosi ok. 1 jednostki pH, lecz może być mniejsza lub większa w zależności od konkretnej gleby[2]. W Polsce przyjęło się przedstawiać odczyn gleb według poniższego podziału:[1][3]
Odczyn gleby | pHKCl | pHH2O |
---|---|---|
Silnie kwaśny | < 4,5 | < 5,0 |
Kwaśny | 4,5-5,5 | 5,0-6,0 |
Lekko kwaśny | 5,6-6,5 | 6,1-6,7 |
Obojętny | 6,6-7,2 | 6,8-7,4 |
Zasadowy | > 7,2 | > 7,4 |
Pojęciem ściśle związanym z odczynem gleb jest kwasowość gleby, czyli zawartość jonów o charakterze kwasowym. W zależności od tego czy bada się jony występujące w roztworze glebowym, czy z różną siłą zabsorbowane w kompleksie sorpcyjnym, wyróżnia się kwasowość czynną, wymienną i rezydualną[3].
Mimo iż powszechnie przedstawia się odczyn jako stężenie jonów wodorowych [H+], to w rzeczywistości jon wodorowy prawie nie występuje w naturze. Współcześnie przyjmuje się, że istnieje on w wodzie jako jon hydroniowy H3O+ (lub nawet kation Zundela H5O+2), a jon H+ stosuje się w definicjach i równaniach jedynie dla uproszczenia zapisu[4]. Pamiętając o powyższym, taką uproszczoną formę przedstawia się w niniejszym artykule.
Skala pH
Główny artykuł: Skala pH.
W czystej wodzie niewielka ilość cząstek wody ulega dysocjacji, czyli rozpadowi na jony wodorowe (a dokładnie, jak przedstawiono powyżej - hydroniowe) i wodorotlenowe. Jest to reakcja ciągła i odwracalna, a ilość zdysocjowanych cząstek jest stała i wynosi H+ = OH- = 10-7. Zatem H+ • OH- = 10-14. Inaczej można to przedstawić: na 10 milionów litrów wody 18 gramów jest zdysocjowanych. W roztworach wodnych wszystkie elektrolity (kwasy, sole, zasady) ulegają w różnym stopniu dysocjacji: kwasy na H+ i ujemnie naładowaną resztę kwasową, zasady na dodatnie naładowany jon metalu i OH-. Od tego jak duża część cząstek ulega rozpadowi na jony zależy moc kwasu lub zasady. Jeżeli w roztworze wodnym ilość jonów H+ i OH- jest sobie równa mówimy o odczynie obojętnym. Gdy przeważają jony wodorowe - odczynie kwaśnym, zaś gdy jest więcej jonów wodorotlenowych - odczynie zasadowym[5].
Skalę pH wprowadził do użycia w 1909 r. duński chemik Søren Sørensen w celu uproszczenia i ułatwienia obliczeń. Zdefiniował on pH jako ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych. Przyjął on, że mieści się ona w zakresie 0—14, roztwory obojętne mają pH = 7, roztwory kwaśne pH < 7, zaś roztwory zasadowe pH > 7[1].
pH=-log[H+]
W rzeczywistości współcześnie pH określa się poprzez pomiar pierwszej siły elektromotorycznej standardowego ogniwa galwanicznego zdefiniowane przez IUPAC[6]. W pewnym wąskim zakresie rozcieńczonych roztworów o stężeniach mniejszych niż 0,1 mol/dm³, których pH mieści się w zakresie od 2 do 12 można jednak przyjąć, że mierzone metodami galwanometrycznymi pH pokrywa się z tradycyjną definicją opartą na aktywności (stężeniu) jonów wodorowych (hydroniowych)[7].
Fakt, że skala pH jest skalą logarytmiczną często jest pomijany. Nieraz oblicza się średnią arytmetyczną z pH lub koreluje się parametry mierzone liniowo z pH, zapominając, że zmiana pH o jedną jednostkę oznacza zmianę stężenia jonów H+ o rząd wielkości. Interpretując wyniki odczynu warto pamiętać o kilku faktach:
- mieszając równe ilości roztworów o pH 3,5 i 6,5 nie uzyskamy roztworu o pH 5, lecz 3,8;
- w różnych zakresach skali pH zmiana o taki sam odcinek oznacza różną zmianę kwasowości, np. wzrost pH z 3,0 do 3,2 oznacza spadek stężenia H+ o 3,7 • 10-4 mol/dm3, zaś wzrost pH z 7,0 do 7,2 oznacza spadek stężenia H+ o 3,7 • 10-8 mol/dm3;
- dodając 1 cm3 kwasu o pH 3,0 do 1 dm3 roztworu o pH 5,0 uzyskamy roztwór o pH 4,96, zaś gdy dodamy taką samą ilość kwasu do 1 dm3 roztworu o pH 8,0 uzyskamy roztwór o pH 6,0 (zmiana o 0,04 lub 2 jednostki pH)[3].
Źródła odczynu gleb
Pierwotnym źródłem odczynu gleb jest rodzaj skały z której ona powstała. Jeżeli gleba powstała ze skał "kwaśnych" (np. skały magmowe, ubogie piaski), ubogich w jony zasadotwórcze (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) to będzie miała ona odczyn kwaśny. Jeżeli gleba powstała ze skał "zasadowych", zasobnych w te składniki (np. skały węglanowe) jej odczyn będzie mniej kwaśny lub nawet zasadowy[8].
Przyczyny mające wpływ na obniżenie odczynu gleb (zwiększenie zakwaszenia) dzieli się na naturalne i antropogeniczne. Do naturalnych, wynikających z procesów przyrodniczych, zalicza się:
- "kwaśne" skały macierzyste, które w procesie wietrzenia uwalniają do gleby jony H+ i Al3+
- wilgotny klimat, w którym opady przeważają nad parowaniem, co prowadzi do przemywnego typu gospodarki wodnej w glebie, a przez to wymywaniem kationów zasadowych (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) w głąb profilu glebowego, a zatem zwiększenia udziału H+ i Al3+ w kompleksie sorpcyjnym
- materia organiczna, która podczas rozkładu tworzy CO2 i H2O tworzące kwas węglowy, a także kwasy próchniczne
- wydzielanie przez korzenie roślin kwasów organicznych do gleby
- procesy utleniania przez mikroorganizmy (np. nitryfikacja, utlenianie siarczków)
Najważniejsze czynniki zakwaszające wywołane przez człowieka to:
- ubytek z gleby zasadowych składników na skutek odprowadzenia ich z wykorzystywanymi przez człowieka częściami roślin (drewno, siano, plony)
- mokry (tzw. kwaśny deszcz) lub suchy opad substancji o charakterze kwasowym (np. tlenków siarki i azotu) powstałych m.in. przez emisje przemysłowe lub pojazdy mechaniczne
- stosowanie fizjologicznie kwaśnych nawozów mineralnych[1]
Zabiegiem podwyższającym pH gleby jest dobór odpowiednich nawozów mineralnych lub wapnowanie gleby. Do wapnowania stosuje się węglan wapnia, tlenek wapnia lub węglan wapnia i magnezu. Kationy Ca2+ i Mg2+ wypierają z kompleksu sorpcyjnego H+ i Al3+ uwalniając je w postaci CO2 i Al(OH)3. Dodatkowo węglan wapnia dysocjuje w wodzie na Ca2+ + OH- + HCO3-[8].
Znaczenie
Odczyn jest jedną z najważniejszych właściwości gleby, wpływa on na inne fizyczne, chemiczne i biologiczne jej właściwości[1]. Na podstawie znajomości pH gleby możemy wnioskować o jonach dominujących w kompleksie sorpcyjnym (zasadotwórcze Ca2+, Mg2+, K+, Na+, albo kwasotwórcze H+ i Al3+). Kwaśny odczyn wiąże się również zazwyczaj z mniej stabilną strukturą gleby, co może się przekładać na pogorszenie stosunków wodno-powietrznych. Ogranicza on również aktywność biologiczną bakterii i promieniowców, co wyhamowuje wiele przemian materii organicznej i związków azotu (np. korzystną dla roślin reakcję nitryfikacji) i powoduje, że dominować zaczynają grzyby[8].
Odczyn jest kluczowym czynnikiem wpływającym na rozpuszczalność i dostępność wielu pierwiastków pokarmowych dla roślin. Maksimum przyswajalności w odczynie obojętnym przy jej zmniejszeniu gdy odczyn staje się zbyt zasadowy lub kwaśny mają N, S, P, B. Przyswajalność K jest maksymalna w odczynie obojętnym i zasadowym i spada wraz z zakwaszeniem. Ca, Mg i Mo są najbardziej dostępne w odczynie zasadowym i coraz mniej wraz ze spadkiem pH. Przyswajalność Cu i Zn jest największa w odczynie lekko kwaśnym i spada wraz ze spadkiem lub wzrostem odczynu. Przyswajalność Fe i Mn rośnie od wartości najmniejszych w odczynie zasadowym do największych w odczynie bardzo kwaśnym. Poniżej pH 5 Al zaczyna być toksyczny dla roślin, poniżej pH 3 H również[1].
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b8/Wildmoos_GO-3.jpg/220px-Wildmoos_GO-3.jpg)
Niektóre rośliny są bardzo wrażliwe na zmiany odczynu gleby i wymagają wąskiego zakresu pH, inne są dużo bardziej tolerancyjne dobrze się rozwijając na bardzo różnych glebach. Optymalny z punktu widzenia większości roślin uprawnych jest odczyn od lekko kwaśnego po obojętny. Przykładem rośliny wrażliwej na odczyn jest lucerna, która będzie rosła tylko na glebach obojętnych i zasadowych. Gleb lekko kwaśnych, obojętnych lub zasadowych wymaga burak cukrowy, koniczyna czerwona lub groch. Szerokie spektrum odczynu od gleb kwaśnych po zasadowe akceptuje jęczmień i pszenica. Gleby silnie kwaśne aż po obojętne dadzą plon owsa, ziemniaka lub żyta. Łubin wyrośnie tylko na glebach lekko kwaśnych i kwaśniejszych[8]. Podobnie różne wymagana odnośnie do kwasowości gleby mają drzewa. Gleby obojętne i zasadowe preferuje jodła. Dla jawora, brzozy brodawkowatej, wiązu szypułkowego lub klonu zwyczajnego najlepsze są gleby od lekko kwaśnych po zasadowe. Sosna zwyczajna akceptuje gleby od kwaśnych po zasadowe, świerk pospolity i buk zwyczajny wolą tylko gleby kwaśne i lekko kwaśne[1]. Niektóre rośliny służą jako wskaźnik odczynu gleb, są to tzw. rośliny wskaźnikowe. Z odczynem zasadowym należy wiązać występowanie maku polnego, kąkolu lub pięciornika gęsiego. Z odczynem kwaśnym zwykle łączy się występowanie paproci i mchów[8].
Odczyn gleb jest jedną z ważniejszych przesłanek oceny jakości (klasy bonitacyjnej) gleby i jej przydatności rolniczej (kompleksu glebowo-rolniczego) oraz optymalnego sposobu uprawy i nawożenia. Jest on również konieczny do oceny potrzeb wapnowania gleby[2].
Istotnym problemem, o którym powinno się pamiętać jest fakt, że informacja o odczynie konkretnych gleb lub gleb określonego obszaru często dotyczy jedynie odczynu poziomu orno-próchnicznego. Wartość tej informacji jest ograniczona, gdyż nic nie mówi o odczynie w głębszych poziomach gleby, który może być wyższy lub niższy od zmierzonego na powierzchni. Takie podejście było charakterystyczne dla badań agrochemicznych[2].
Odczyn gleb w Polsce
Większość gleb w Polsce posiada odczyn w zakresie pH 3,0-8,5. Bezwęglanowe gleby leśne mają zwykle pH w zakresie 3,0-6,0; bezwęglanowe gleby uprawne — 4,5-7,0; zaś gleby węglanowe — 7,0-8,5. Przeważają gleby kwaśne. Ponad 50% gleb użytkowanych rolniczo stanowią gleby kwaśne i bardzo kwaśne, gleby lekko kwaśne i obojętne stanowią 42%, a jedynie 8% gleb rolnych stanowią gleby zasadowe[1]. Przewagę gleb kwaśnych w Polsce w dużej skali tłumaczy klimat w którym opady przeważają nad parowaniem. Powoduje to przemywny lub okresowo przemywny typ gospodarki wodnej w glebach. Mimo iż znaczna część polodowcowych skał osadowych, dominujących skał macierzystych w Polsce, zawierała węglan wapnia to długotrwałe przemywanie doprowadziło do ich odwapnienia (dekalcytacji). Sprzyja temu fakt, że z powodu naturalnie występującego dwutlenku węgla w powietrzu, który reagując z wodą daje kwas węglowy, pH czystego deszczu wynosi 5,6. Do tego należy dodać wpływ człowieka polegający zarówno na dodatkowym zakwaszeniu opadów atmosferycznych przez emisję zanieczyszczeń do atmosfery jak i nieodpowiednia gospodarkę rolną i leśną[3].
Metody oznaczania
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d4/Hellig_pH-meter.jpg/200px-Hellig_pH-meter.jpg)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/75/Hanna_HI_8314_membrane_pH_meter.jpg/220px-Hanna_HI_8314_membrane_pH_meter.jpg)
Odczyn gleb mierzy się za pomocą metod potencjometrycznych lub kolorymetrycznych.
Metody kolorymetryczne służą do szybkiego, orientacyjnego określenia pH gleby. Powszechnie się je wykorzystuje w trakcie badań terenowych. W Polsce najczęściej używana jest metoda Helliga pozwalająca zmierzyć pH w zakresie 5-8 z dokładnością 0,5 jednostki[1]. Polega ona na wsypaniu odrobiny gleby do zagłębienia w porcelanowej płytce ze skalą barw i zalaniu indykatorem Helliga. Jest to mieszanina roztworów czerwieni metylowej i błękitu bromotymolowego - barwników organicznych, które zmieniają barwę wraz ze zmianą stężenia jonów wodorowych. Po kilku minutach porównuje się barwę roztworu, którym zalano glebę z barwną skalą na płytce i w ten sposób określa się pH[9].
Metody potencjometryczne polegają na pomiarze różnicy potencjałów (tzw. siła elektromotoryczna) pomiędzy dwoma elektrodami zanurzonymi w roztworze gleby. Elektroda porównawcza (referencyjna), obecnie najczęściej stosuje się elektrodę chlorosrebrową (dawniej często używano elektrody kalomelowej), ma stały potencjał. Potencjał elektrody pomiarowej, najczęściej jest to elektroda szklana, zmienia się w zależności od stężenia jonów wodorowych. Potencjometry, które oprócz skali wyrażonej w miliwoltach mają skalę pH nazywa się pehametrami.
pH gleby najczęściej wykonuje się w roztworze wody destylowanej lub 1-molowego KCl, rzadziej też 0,01-molowego CaCl2 w stosunku wagowym gleby do elektrolitu: 1:5, 1:2,5 lub 1:1. Po wymieszaniu gleby z wodą lub roztworem KCl, odczekaniu 30-60 minut dokonuje się pomiaru, zgodnie z instrukcją konkretnego urządzenia, przy pomocy pehametru zanurzając elektrody (często tylko jedną elektrodę scaloną) w roztworze. Należy pamiętać o wcześniejszym skalibrowaniu urządzenia na roztworach buforowych o ściśle określonym pH[9].
Zobacz też
- skala pH
- kompleks sorpcyjny
- pojemność wymiany kationów
- kwasowość gleby
- buforowość gleb
Przypisy
- ↑ a b c d e f g h i Sławomir Gonet, Halina DSmal, Józef Chojnicki: Właściwości chemiczne gleb. W: Andrzej Mocek (red.): Gleboznawstwo. Wyd. I. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2015, s. 201-205. ISBN 978-83-01-17994-6.
- ↑ a b c Michał Strzemski, Jan Siuta, Tadeusz Witek: Przydatność rolniza gleb Polski. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, 1973, s. 50-53. ISBN 83-01-01001-0.
- ↑ a b c d Urszula Pokojska: Odczyn gleb. W: Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz: Badania ekologiczno-gleboznawcze. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2004, s. 198-204. ISBN 83-01-14216-2. (pol.).
- ↑ Równowagi jonowe - pH roztworu. [dostęp 2016-11-11]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-11-21)].
- ↑ Franciszek Kuźnicki, Stanisław Białołusz, Piotr Skłodowski: Podstawy gleboznawstwa z elementami kartografii i ochrony gleb. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1979, s. 95-98. ISBN 83-01-01001-0.
- ↑ A. K. Covington, R. G. Bates, R. A. Durst. Definitions of pH scales, standard reference values, measurement of pH, and related terminology. „Pure Appl. Chem.”. 57 (3), s. 531–542, 1985. DOI: 10.1351/pac198557030531.
- ↑ pH, [w:] A.D.A.D. McNaught A.D.A.D., A.A. Wilkinson A.A., Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), S.J. Chalk (akt.), International Union of Pure and Applied Chemistry, wyd. 2, Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997, DOI: 10.1351/goldbook.P04524, ISBN 0-9678550-9-8 (ang.).
- ↑ a b c d e J. Gliński: Odczyn gleb. W: Saturnin Zawadzki (red.): Gleboznawstwo. Wyd. IV. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, 1999, s. 220-227. ISBN 830901703-0.
- ↑ a b Andrzej Mocek, Stanisław Drzymała: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Poznań: Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Pozananiu, 2010, s. 217-223. ISBN 978-83-7160-586-4.
- p
- d
- e
- Przegląd zagadnień z zakresu gleboznawstwa
Pojęcia podstawowe |
|
---|---|
Profil glebowy | |
Bonitacja rolnicza gleb |
- PWN: 3949804