Odczyn gleby

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].

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].

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].

 

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].

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].

 

 

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].

• skala pH
• kompleks sorpcyjny
• pojemność wymiany kationów
• kwasowość gleby
• buforowość gleb