Oznaczenia odczynu pH

Wartość odczynu gleby określana jest wartością pH definiowaną jako ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych w roztworze glebowym – stężenie to jest wynikiem równowagi pomiędzy jonami wodorowymi zaadsorbowanymi przez fazę stała, a roztworem glebowym. Głównymi naturalnymi źródłami jonów wodorowych w glebie są procesy zachodzące między cząsteczkami gleby i korzeniami roślin podczas pobierania przez nie mineralnych składników odżywczych, mineralizacja substancji organicznej gleby, tworzenie się kwasów organicznych w próchnicy glebowej, bezpośredni opad kwaśnych deszczów. Wielkość stężenia jonów wodorowych może zależeć również od typu litologicznego skał, na których powstała gleba. Podczas uwalniania jonów wodorowych, na skutek przebiegających w glebie reakcji chemicznych i biochemicznych, następuje lekkie zakwaszenie gleby, a po obumarciu roślin kationy neutralizujące powracają do gleby – obieg składników pokarmowych oraz jonów wodorowych między glebą i roślinnością jest zrównoważony.

Zaburzenie neutralnego obiegu pierwiastków, prowadzące do zakwaszenia gleby i wymywania składników pokarmowych szybciej niż mogą być one uzupełnione przez wietrzenie minerałów glebowych powodowane jest wprowadzaniem dużej ilości jonów wodorowych np. wraz z kwaśnymi deszczami. W obszarze badań opady charakteryzują się jednak odczynem obojętnym i zasadowym na skutek wysokiej zawartości pyłów zawieszonych pochodzących z niedalekiej emisji ze strony Huty Arcelor Mittal.

Kwaśne gleby mają niewielką możliwość przeciwdziałania gwałtownym zmianom odczynu, ponieważ ich zdolność buforująca jest zbyt mała dla zneutralizowania wzrostu stężenia jonów wodorowych. Wzrost zakwaszenia uruchamia metale ciężkie i pierwiastki śladowe ze związków trudno rozpuszczalnych, a także blokuje pobieranie form przyswajalnych przez rośliny. W glebie silnie zakwaszonej zamiera życie biologiczne, giną drobnoustroje i bakterie brodawkowe, rozwijają się natomiast grzyby. W wyniku zakwaszenia gleby następuje obniżenie jej nasycenia wymiennymi kationami z postępującą utratą wapnia i magnezu wskutek wymywania ich dobrze rozpuszczalnych związków z górnych warstw gleby. Następuje również wzrost stężenia jonów potencjalnie toksycznych dla korzeni roślin (Al³⁺, Mn²⁺) oraz zahamowanie procesów rozkładu substancji organicznej.

W typowych glebach użytkowanych rolniczo pH gleb (mierzone w 1n KCl) zawiera się w przedziale od 4.0 do 7.2. W glebach zdegradowanych w wyniku imisji kwaśnych deszczy, bądź kwaśnych wód powierzchniowych i gruntowych zanieczyszczonych ściekami z przemysłu, wartość pH może być niższa od 2.0. Wartość pH powyżej 8.3 może wskazywać na obecność w glebie substancji alkalizujących pochodzenia antropogenicznego np. tlenków metali. Jako przedział optymalny dla procesów biologicznych związanych z metabolizmem większości gatunków roślin i drobnoustrojów glebowych przyjmuje się wartości pH od 5.5 do 7.2.

Odczyn gleby w bardzo dużym stopniu decyduje o mobilności i biodostępności metali ciężkich i jonowych zanieczyszczeń organicznych. Uruchamianie metali ciężkich wzrasta wraz ze wzrostem zakwaszenia. Zmiana odczynu w kierunku zasadowego (wzrost pH), będąca wynikiem wapnowania zmniejsza ryzyko pobierania metali ciężkich przez rośliny i włączania ich do łańcucha żywieniowego oraz ich migrację do wód gruntowych, natomiast w odniesieniu do pierwiastków takich jak arsen, molibden i selen przy wyższym pH ich mobilność wzrasta.

Skutkiem zakwaszenia gleb jest utrudnione pobieranie przez rośliny podstawowych składników pokarmowych. Bardziej uaktywniają się toksyczne związki glinu, manganu i żelaza oraz wzrasta pobieranie metali ciężkich: ołowiu i kadmu. W aspekcie agronomicznym prowadzi to do zmniejszenia plonów roślin uprawianych i pogorszenia jakości uzyskanych produktów nawet przy prawidłowym nawożeniu mineralnym innymi składnikami.

Stosowaną powszechnie w rolnictwie metodą zapobiegania niskim pH gleb jest wapnowanie. Ma ono wszechstronny i korzystny wpływ na właściwości fizyczno-chemiczne i biologiczne gleb. Wpływa na tworzenie żyzności gleby, czynnika umożliwiającego uzyskiwanie wysokich plonów i efektywne wykorzystanie nawożenia. Podstawowymi wskaźnikami do określenia potrzeb wapnowania są wielkość pH i kategoria agronomiczna wynikająca ze stopnia zwięzłości gleby. Potrzeby wapnowania precyzują ilość stosowanych nawozów wapniowych i ich formę, w zależności od składu granulometrycznego gleby. Podstawowym celem wapnowania

rekultywacyjnego jest wyeliminowanie w krótkim czasie odczynu gleb poniżej pH = 4.8, świadczącego o nasileniu procesów degradacji tych gleb, skutkujących silnym ograniczeniem zasadniczych funkcji gleb, w tym także zanieczyszczeniem płodów rolnych szkodliwym glinem i metalami ciężkimi. Zmiany odczynu gleb należy dokonać poprzez zastosowanie odpowiednich dawek nawozów wapniowych lub wapniowo-magnezowych w formie tzw. wapnowania rekultywacyjnego.

Odczyn pH jest bardzo ważnym parametrem charakteryzującym zdolność gleby do zatrzymywania metali ciężkich. W próbkach gleb pobranych w 2004 roku autorka wykonała oznaczenia pH w wyciągu wodnym oraz w KCl (fot. 8). Wyniki analiz dla poszczególnych próbek przedstawiono w zał. 14 zawierającym zestawienie wyników wszystkich analiz, które wykonano na zbiorze próbek glebowych.

Fot. 8. Oznaczenia pH w próbkach glebowych

Porównanie procentowego udziału gleb z 2004 roku, w oparciu o klasyfikację na podstawie pH, z wynikami z 1992 roku przedstawiono w tab.16 oraz na rys. 37.

pH < 4.5 bardzo kwaśne 4.6 < pH <5.5 kwaśne 5.6 < pH < 6.5 lekko kwaśne 6.6 < pH < 7.2 obojętne pH > 7.2 zasadowe 1992 7.6 22.8 15.2 44.3 10.1 2004 9.2 17.2 26.4 34.6 12.6

Tab. 16. Porównanie wyników analiz odczynu pH próbek gruntów pobranych w 1992 i 2004 roku

Analizując powyższe zestawienie wydaje się, że gleby obszaru badań ulegają niewielkiemu powolnemu obniżaniu pH. Jest to najbardziej widoczne w przejściu prawie 10 % gleb z odczynu obojętnego w gleby o odczynie lekko kwaśnym (tab. 16). Tendencja ta nie znajduje jednak zdecydowanego potwierdzenia na wykresie probabilistycznym (rys. 36). Widać niewielkie przesunięcie w kierunku gleb bardziej kwaśnych ale nie może to na razie stanowić podstawy do formułowania jednoznacznego wniosku o zakwaszaniu gleb obszaru badań. Generalny odczyn gleb poligonu jest nadal w przeważającej ilości obojętny. Potwierdzenie lub wykluczenie tendencji zakwaszania gleb wymaga przeprowadzenia kolejnego cyklu badań.

x + 2s x - 2s x - s x _ _ _ _ _ x + s x + 3s x - 3s _ _ 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 pH [1n kCl] 0.20 0.50 1.00 2.00 5.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 95.00 98.00 99.00 99.50 99.80 C z ę s to ś ć s k u m u lo w a n a 1992 2004

Rys. 36. Wykres częstości skumulowanej udziału procentowego pH (1n KCl) oznaczonej w próbkach gleb w roku 1992 i 2004

W przypadku potwierdzenia tendencji zakwaszania gleb obszaru badań za przyczyny procesu uznać należy najprawdopodobniej oddziaływanie antropogeniczne. Ze względu na zasadowy charakter opadów powolne zakwaszenie gleb terenu badań w badanym cyklu 12-letnim posiada prawdopodobnie źródło inne, niż kwaśne opady. Uznano, że może nim być nadmierne stosowanie przez rolnictwo nawozów amonowych (uwalniających jony wodorowe). Na zakwaszenie gleb wpływa również intensyfikacja rolnictwa – usuwanie masy roślinnej z ziemi.

Tendencja zakwaszania gleb może być zatem tłumaczona zbyt intensywną gospodarką rolną oraz coraz rzadszą hodowlą zwierząt gospodarskich i fermowych, a co za tym idzie mniejszą ilością zasadowego obornika nawożonego na pola. W glebach Polski dominuje także naturalny proces zakwaszania, który w naszej strefie klimatycznej ma charakter naturalny związany z obecnością dwutlenku węgla w powietrzu. Gaz ten po rozpuszczeniu w wodach deszczowych tworzy słaby kwas węglowy, który dostaje się do gleby wraz z opadami atmosferycznymi (Stuczyński i in., 2004).

Z punktu widzenia możliwości uruchomienia zakumulowanych w glebie metali ciężkich proces wapnowania jest niezwykle korzystny. Zapobiega on zasadniczo migracji metali do zbiornika wód podziemnych. Pamiętać należy jednak o możliwości wymywania metali w postaci kompleksów organicznych w glebach alkalicznych. Ze względu na obserwowaną niekorzystną tendencję powolnego zakwaszania gleb wapnowanie jest zabiegiem rolniczym jak najbardziej wskazanym.