Znaczenie Odczyn gleby we współczesnym społeczeństwie jest niezaprzeczalne. Niezależnie od tego, czy jest to aktualny temat, wybitna postać, zjawisko kulturowe czy fundamentalna koncepcja, Odczyn gleby odgrywa kluczową rolę w naszym codziennym życiu. W tym artykule zbadamy różne aspekty związane z Odczyn gleby, od jego wpływu na poziom osobisty po wpływ na sferę globalną. Poprzez szczegółową analizę staramy się zrozumieć znaczenie i znaczenie Odczyn gleby dzisiaj, a także jego ewolucję w czasie. Podobnie zbadamy jego rolę w różnych kontekstach i jego interakcję z innymi elementami społeczeństwa. Mamy nadzieję, że dzięki tej podróży rzucimy światło na znaczenie i złożoność Odczyn gleby we współczesnym społeczeństwie.
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.
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. W Polsce przyjęło się przedstawiać odczyn gleb według poniższego podziału:
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.
Mimo iż powszechnie przedstawia się odczyn jako stężenie jonów wodorowych , 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. Pamiętając o powyższym, taką uproszczoną formę przedstawia się w niniejszym artykule.
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.
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.
pH=-log
W rzeczywistości współcześnie pH określa się poprzez pomiar pierwszej siły elektromotorycznej standardowego ogniwa galwanicznego zdefiniowane przez IUPAC. 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).
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:
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.
Przyczyny mające wpływ na obniżenie odczynu gleb (zwiększenie zakwaszenia) dzieli się na naturalne i antropogeniczne. Do naturalnych, wynikających z procesów przyrodniczych, zalicza się:
Najważniejsze czynniki zakwaszające wywołane przez człowieka to:
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-.
Odczyn jest jedną z najważniejszych właściwości gleby, wpływa on na inne fizyczne, chemiczne i biologiczne jej właściwości. 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.
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.
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. 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. 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.
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.
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.
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. 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.
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. 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.
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.