Chemiczne właściwości gleb
Pierwiastki chemiczne wchodzące w skład gleb
Pierwiastki o małym znaczeniu, występujące w dużych ilościach: krzem, glin, sód Pierwiastki o dużym znaczeniu, występujące w dużych stężeniach: makroelementy, nadmiar zazwyczaj nie jest szkodliwy Węgiel, wodór, tlen, azot, fosfor, potas, wapń, magnez, siarka Tlen, węgiel i częściowo azot są pobierane z powietrza Wodór z rozkładu wody Pozostałe są czerpane z roztworu glebowego
Pierwiastki o dużym znaczeniu, występujące w niewielkich ilościach (Mikroelementy) -enzymy -nadmiar może być szkodliwy Mangan, cynk, miedź, bor, molibden, chlor, kobalt, jod, fluor, ołów, żelazo
Na dostępność pierwiastków ma wpływ: -Właściwości pierwiastka -Rodzaj roślin i fazy rozwojowej -Odczyn gleby -Wzajemny stosunek pierwiastków w glebie -Dynamika fizycznych właściwości (stosunki powietrzno - wodne)
AZOT
Funkcja: materiał budulcowy białek, witamin, nukleotydów, kwasów nukleinowych, alkaloidów, chlorofilu
Działanie: pobudzenie wzrostu części nadziemnych, regulacja zużycia fosforu potasu i innych składników pokarmowych, w niedoborze obserwowane jest karłowacenie, opadanie liści, słabe wykształcenie systemu korzeniowego Zawartość: od 600 do 10 500 kg na ha (warstwa orna - 20 cm)
Przyswajalność form azotu
Rośliny mogą pobierać tylko formy mineralne azotu: jon amonowy NH4 + lub azotanowy NO3
-Sole azotanowe są rozpuszczone w roztworze glebowym, sole amonowe mogą być związane z kompleksem sorpcyjnym lub w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych.
Odczyn gleby determinuje formę pobieranego azotu, w środowisku kwaśnym przewagę ma pobieranie jonu azotanowego w obojętnym i zasadowym amonowego. Jest to związane ze zmianą ładunku elektrycznego plazmy komórkowej włośników korzeni.
Przemiany form azotu
Związki azotowe ulegają ciągłym przemianom z form organicznych w mineralne i odwrotnie. Najważniejsze znaczenie mają procesy odbywające się przy współudziale specjalizowanych mikroorganizmów glebowych:
a) Amonifikacja - przekształcanie związków organicznych do amoniaku w warunkach tlenowych lub beztlenowych b) Nitryfikacja - utlenianie amoniaku do kwasu azotowego poprzez kwas azotawy w warunkach tlenowych c) Denitryfikacja - redukcja azotanów do azotynów i w końcowym etapie azotynów
Amonifikacja i nitryfikacja powodują korzystne przekształcanie form azotu, denitryfikacja może prowadzić do dużych strat
FOSFOR Funkcja: składnik związków budujących komórki (nukleoproteidy i fosfolipidy) element systemu oddechowego Działanie: wpływa na rozwój systemu korzeniowego , zwiększa sztywność , obniża zawartość szkodliwych dla zwierząt mineralnych form azotu Zawartość: 300 do 6000 kg/haFormy fosforu w glebie -nieorganiczne -Organiczne Fityna 2 -50% P-org., fosfolipidy 1 -5% P-org., Kw. nukleinowe 0,2 -2,5% P-org.
Przyswajalność form fosforu
Najbardziej przyswajalną formą fosforu jest jon H2PO4
Jony fosforu w glebie są bardzo szybko wiązane lub wytrącane. Zjawisko to nosi nazwę retrogradacji lub uwsteczniania. Przebiega w trojaki sposób: 1) Wytrącanie jonów fosforanowych przez kationy metali 2 i 3
wartościowych zawartych w roztworze wodnym (odczyn silnie kwaśny - żelazo, glin)
Al3+ + H2PO4 -+ 2H2O 2H+ + Al(OH)2H2PO4 (odczyn słabo kwaśny, obojętny i zasadowy - wapń)
Ca2+ Ca2+ H20Ca(H2PO4)2 CaHPO4 Ca3(PO4)2 F-
3 Ca3(PO4)2 · Ca(OH)2 3 Ca3(PO4)2 · CaF2 2) Sorpcja wymienna przez koloidalne wodorotlenki żelaza i glinu 3) Sorpcja wymienna przez minerały ilaste
POTAS Funkcja: składnik regulujący procesy fotosyntezy, oddychania, uwodnienia tkanek Działanie: wytwarzanie chlorofilu, skrobi, przemieszczanie cukrów Zawartość: 300 do 60 000 kg/ha
Formy potasu 1. Potas zawarty w pierwotnych minerałach krzemianowych i glinokrzemianowych (do 90%) 2. Potas związany z koloidami gleby w formie wymiennej (do 5%) 3. Potas związany z minerałami ilastymi w formie niewymiennej 4. Potas obecny w roztworze
Przyswajalność potasu
Najlepiej przyswajalną formą potasu jest rozpuszczone w roztworze jon K+
Na pobieranie potasu przez rośliny ma wpływ: -Zawartość wapnia (wapń wypiera z kompleksu sorpcyjnego potas, ale to działanie ustaje w odczynie lekko zasadowym) -Forma azotu (jony amonowe utrudniają, a azotanowe ułatwiają przyswajanie potasu)
Zmiany zawartości potasu w glebie
Potas charakteryzują wysoka podatność na wymywanie , w przeciwieństwie do azotu i fosforu
W przypadku gdy rośliny dysponują wysoką zawartością potasu dochodzi do zjawiska tzw. pobierania luksusowego. Powoduje to niepotrzebne straty i koszty
Czynniki wpływające na wiązanie potasu a) Charakter koloidów glebowych (kaolinit wiąże słabo, montmorylonit i illit wiążą mocniej) b) Zmiany uwilgotnienia gleby c) Zamarzanie i tajanie (uwalnia część potasu związanego) d) Obecność nadmiaru wapnia (zwiększenie wiązania potasu ale w formie przyswajalnej, w pewnym stopniu zjawisko zapobiegające wymywaniu)
WAPŃ Funkcja: inkrustacja błon komórkowych, odkładanie szczawianów, regulacja gospodarki wodnej i przebiegu procesów metabolicznych Działanie: najważniejsze pośrednie poprzez zmiany właściwości gleby: poprawa zgruźlenia gleb ciężkich dzięki koagulacji koloidów glebowych, stymulacja rozwoju mezo-i mikro fauny Zawartość: 2 100 - 108 000 kg/ha
Występowanie w glebie a) W formie rozpuszczonych węglanów wapnia b) W kompleksie sorpcyjnym c) W formie nierozpuszczalnej i w minerałach pierwotnych d) Niewielka część w formie organicznej
Przyczyny ubytku wapnia: a) Erozja b) Pobieranie przez rośliny c) wymywanie
Funkcja: składnik chlorofilu, aktywator reakcji enzymatycznych Zawartość: 1 800- 36 000 kg/ha
Występowanie: minerały pierwotne (oliwin, biotyt, serpentyn, hornblenda, augit, dolomit)
Przemiany: uwalniany w procesie wietrzenia magnez jest sorbowany wymiennie przez koloidy glebowe, jony magnezu są łatwiej usuwane z kompleksu sorpcyjnego przez H+ niż wapń
MAGNEZ Przyswajalność: antagonistycznie na przyswajalność magnezu oddziałuje potas, wapń, wodór i amon. Jon azotanowy stymulują pobór magnezu
SIARKA Funkcja: składnik białek, uczestniczy w procesie fotosyntezy Zawartość: 60 - 2 400 kg/ha Występowanie: siarczki w minerałach pierwotnych (piryt) oraz siarczany zawarte w minerałach wtórnych (gips, anhydryt), materia organiczna szczególnie w torfach) W przypadku siarki również spotykane jest zjawisko czasowego, mikrobiologicznego uwsteczniania (tak jak w przypadku azotu) Procesy utlenienia siarki zredukowanej bądź elementarnej powodują zakwaszenie środowiska
Pierwiastki występujące w glebie w dużych ilościach ale o małym znaczeniu dla roślin: -Krzem (wyjątek zboża) -Glin -Sód
MIKROELEMENTY Największe znaczenie dla roślin wyższych mają: Żelazo, mangan, cynk, miedź, bor, molibden, chlor Dla życia zwierząt niezbędne są: Jod , kobalt, fluor
Wzrost zainteresowania mikroelementami wynika z następujących przyczyn :
1. Pobieranie pierwiastków śladowych przez rośliny prowadzi do obniżenia ich stężenia poniżej poziomu wymaganego dla rozwoju roślin 2. Stosowanie nawozów i wydajniejszych odmian prowadzi do zwiększenia plonów i tym samem większego poboru mikroelementów 3. Produkcja coraz bardziej czystych chemicznie nawozów 4. Zwiększenie znajomości fizjologii roślin uprawnych
W zawartości mikropierwiastków powinna występować równowaga.
Przyswajalność mikroelementów zależy od: a) Odczynu środowiska - przy niskim pH rozpuszczalność większości mikroelementów (mangan, cynk, miedź, żelazo) rośnie mogą stać się toksyczne b) Warunków wodno - powietrzne wpływające na procesy utleniania i redukcji c) Zawartości substancji organicznej - możliwość tworzenia związków kompleksowych (żelazo i mangan w środowisku kwaśnym) oraz chelatów
Źródła mikroelementów: -Skały macierzyste -Substancje organiczne -Środki ochrony roślin -Substancje zanieczyszczające
Żelazo - występuje w glebie w stosunkowo dużych ilościach. Bierze udział w procesie oddychania, jest niezbędne w procesie fotosyntezy. Jest ono przez rośliny pobierane w formie jonowej (Fe 2+ i Fe 3+ ) i schelatowanej . Źródłem żelaza są związki mineralne i organiczne. Duża zawartość żelaza w odcyznie silnie kwaśnym prowadzi do wytrącania fosforu.
Mangan 10 -4000 ppm- podobnie jak żelazo bierze udział w procesie oddychania, jest niezbędne w procesie fotosyntezy. Mangan występuje w formie czynnej (roztwór glebowy) lub wymiennej (kompleks sorpcyjny). Na
ilość manganu aktywnego ma wpływ stan potencjału redox, odczyn gleby oraz zawartość substancji organicznej
Cynk 25 - 1 000 ppm - w organizmach żywych bierze udział w reakcjach enzymatycznych . W glebie występuje w siatce krystalicznej minerałów ilastych jako jon Zn2+ a także jako składnik trudnorozpuszczalnych soli wapnia i fosforu
Miedź 1 - 140 ppm - jest ważnym składnikiem procesu fotosyntezy oraz wielu enzymów odpowiedzialnych za procesy utleniające. Cechuje ją silne związanie z substancją organiczną w glebach mineralnych jest łatwiej
dostępna
Bor-5 - 100 ppm odgrywa ważną rolę w gospodarce węglowodanowej roślin, jest potrzebny dla właściwego prowadzenia procesów kwitnienia i owocowania , a także pobierania soli mineralnych przez rośliny. Jest on pobierany w formie jonu boranowego (B33-lub B4O72-) Zawartość boru jest większe w glebach powstałych ze skał osadowych niż magmowych. Przyswajalność boru jest związana z odczynem . W odczynie kwaśnym jest on wymywany, w odczynie lekko zasadowym staje się nieprzyswajalny. Przy pH > 8,5 przyswajalność znowu rośnie
Molibden - 0,5 - 5 ppm - bierze udział w redukcji azotanów do amoniaku w roślinach a także współuczestniczy w wiązaniu azotu z powietrza przez niektóre bakterie symbiotyczne. Występuje w postaci anionu MoO42zasorbowanego przez wodorotlenki żelaza i glinu lub rozpuszczonego w wodzie a także w postaci nierozpuszczalnych soli wchodzących w skład próchnicy. Wzrost odczynu zwiększa przyswajalność
Chlor-jest niezbędny do pełnej metabolicznej aktywności organizmów żywych. W glebach najczęściej występuje w postaci chlorków łatwo ulegających wymyciu. Zapas chloru w glebie jest uzupełniany poprzez opady oraz nawozy.
ODCZYN GLEB
Odczyn jest określany przez stosunek jonów wodorowych, H+, do jonów wodorotlenowych OH-, na które dysocjuje woda: H2O=H+ + OH-
W wodzie destylowanej [H+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3. Odpowiada to odczynowi obojętnemu. Wzrost stężenia jonów [H+] (spadek [OH-]) powoduje, że roztwór staje się kwaśny. Wzrost stężenia jonów [OH-] (spadek [H+]) powoduje, że roztwór staje się zasadowy.
Odczyn gleby wyraża się wartością pH H = -log [H+] roztwory kwaśne- pH < 7 roztwory obojętne-pH = 7
roztwory zasadowe - pH > 7
W Polsce przeważają gleby o odczynie kwaśnym; gleby kwaśne i bardzo kwaśne zajmują 50% powierzchni kraju, gleby słabo kwaśne - 30%, gleby obojętne i zasadowe - 20%.
KWASOWOŚĆ I ZASADOWOŚĆ GLEB
Kwasowość- stan gleby, w którym jej odczyn jest kwaśny 1. Kwasowośćczynna - pochodzi od jonów H+ roztworu glebowego 2. Kwasowośćpotencjalna - pochodzi od jonów H+ i Al3+ zaadsorbowanych przez koloidy glebowe
kwasowośćwymienna - ujawnia sięw glebach po potraktowaniu ich roztworami soli obojętnych -KCl
kwasowośćhydrolityczna -ujawnia sięw glebach po potraktowaniu ich roztworami soli hydrolizujących zasadowo - (CH3COO)2Ca
Procesy prowadzące do zakwaszania gleby
1. Wpływ kwasu węglowego wydzielającego się w czasie reakcji mikrobiologicznych oraz pochodzący z powietrza atmosferycznego Podobne oddziaływanie wykazują inne kwasy mineralne, a także kwasy organiczne powstające w trakcie rozkładu substancji organicznej
2. Opady i wymywanie kationów zasadowych 3. Dodatek nawozów fizjologicznie kwaśnych
Odczyn gleby jako czynnik ekologiczny W glebach kwaśnych rośnie zawartość wolnego glinu, toksycznych
ilości żelaza i manganu. Wiele składników odżywczych staje się nieprzyswajalnych. Pogarsza się struktura gruzełkowa. Osłabieniu ulega aktywność biologiczna bakterii i promieniowców. Załamaniu
ulegają procesy nitryfikacji i wiązania wolnego azotu.
BUFOROWE WŁAŚCIWOŚCI GLEBY
Właściwości buforowe gleby -zdolnośćgleby do przeciwstawiania sięzmianie odczynu
SORPCYJNE WŁAŚCIWOŚCI GLEB
Sorpcja - powierzchnia ciała stałego (gleby) przyciąga i zatrzymuje warstwę jonów, atomów lub molekuł.
Za zdolności sorpcyjne gleby odpowiada kompleks sorpcyjny zbudowany z koloidów glebowych:
minerały ilaste (smektyty, wermikulit, illit, kaolinit) krystaliczne i amorficzne tlenki żelaza i glinu
minerały bezpostaciowe próchnica kompleksy ilasto-próchnicze
Koloidy glebowe
Koloid składa się z: • jądra (miceli) o budowie krystalicznej lub amorficznej oraz strukturze zbitej lub porowatej • wewnętrznej powłoki jonów dodatnich lub ujemnych, które stanowią część składową jądra • zewnętrznej powłoki jonów kompensujących o ładunku przeciwnym do jonów wewnętrznej powłoki
Dzięki właściwościom sorpcyjnym gleby możliwe jest:
regulacja w nich odczynu magazynowanie dostarczanych w nawozach składników pokarmowych roślin neutralizacja szkodliwych dla organizmów żywych substancji, które dostają się do gleby
Rodzaje sorpcji w glebie:
Wymiana jonowa - jon z roztworu wymienia (zastępuje) jon z powierzchni lub struktury ciała stałego
Sorpcja chemiczna - powstawanie na powierzchni gleby trwałych wiązań chemicznych (kompleksów) między sorbentem a sorbatem
Sorpcja fizyczna - zagęszczanie na powierzchni cząstek gleby molekuł innych ciał (cieczy, gazów) wskutek działania sił van der Waalsa
Sorpcja biologiczna - pobieranie i zatrzymywanie jonów z roztworu przez organizmy żywe
Przyczyną wymiany jonowej i sorpcji chemicznej są nie skompensowane ładunki elektryczne występujące na powierzchni koloidów glebowych. Źródłem tych ładunków są:
Niewysycone wiązania (wartościowości) występujące na krawędziach i zewnętrznych płaszczyznach minerałów ilastych (pakietów) oraz cząstkach próchnicy. Są to ładunki zmienne ponieważ ich wielkość zmienia się wraz z odczynem gleby. Wewnątrzwarstwowa wymiana w kryształach minerałów ilastych. Są to ładunki trwałe ponieważ ich wielkość nie zależy od pH. Zmienne pH roztworów glebowych (pHZPC) - w przypadku koloidów glebowych z grupy wodorotlenków Fe i Al
Jednym z najważniejszych rodzajów sorpcji na koloidach glebowych jest wymiana jonowa. Polega ona na tym, że jon z roztworu glebowego wymienia (zastępuje) jon z powierzchni lub struktury koloidu glebowego.
Wymianie jonowej ulegają przede wszystkim kationy - sorpcja wymienna kationów (cation exchange) a
zdecydowanie w mniejszym stopniu aniony - sorpcja wymienna anionów (anion exchange).
Najczęściej spotykanymi kationami w glebach są: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, NH4+-kationy o charakterze zasadowym H+, Al3+-kationy o charakterze kwasowym
SORPCJA WYMIENNA KATIONÓW
Miarą pojemności wymiany kationów (CEC) i anionów (AEC) jest mM/kg
Inne, stosowane, jednostki pojemności wymiany jonów: cmol(+)/kg = 0,01 M/kg = 10mM/kg mval/kg = mM/kg×wartościowość pierwiastka
Rozmiary wymiany kationów w glebie zależąod: • składu mineralnego sorbentu i wielkości jego
ziaren, • rodzaju sorbowanego kationu i jego stężenia, • rodzaju towarzyszącego anionu, • pH roztworu, • temperatury,
Wpływ rodzaju kationu na sorpcję wymienną zależy od wartościowości, wielkości i stopnia uwodnienia kationów Wraz ze wzrostem wartościowości kationów wzrasta ich zdolność wymienna.
Generalnie zgodnie ze schematem:
Li+< Na+< NH4+= K+< Mg2+< Ca2+< Al3+< Fe3+< H+
Zdolność wymienna jonów o tej samej wartościowości zależy od wielkości ich średnic. Kation tym chętniej wchodzi do kompleksu sorpcyjnego, im większa jest jego średnica. Im większa jest średnica jonów, tym słabsze jest pole elektryczne przez nie wytwarzane -mniejszy stopień ich uwodnienia. Wraz ze wzrostem średnicy jonów uwodnionych mniej chętnie wchodzą one do kompleksu sorpcyjnego gleby.
Rodzaje PWK: a) potencjalna PWK pot b) rzeczywista PWK r
Gleba wykazuje pojemność potencjalną wtedy gdy jej pH bliskie 8 (dokładnie 8,2). Taki odczyn jest charakterystyczny dla gleb w których wapnowaniem zlikwidowano kwasowość, a także gleb naturalnie węglanowych.
Pojemność rzeczywista (efektywna) odnosi się do naturalnego pH gleby i określa jej chwilowe zdolności sorpcyjne. W glebach kwaśnych organicznych i w poziomach organicznych gleb leśnych PWK r może być kilkukrotnie mniejsza od PWK pot
Pojemnośćsorpcyjnągleby (CEC) oblicza sięwyznaczając sumękationów metali o charakterze zasadowym (Ca, Mg, Na, K) i jonów wodoru znajdujących sięw kompleksie sorpcyjnym gleby.
Dokonuje siętego poprzez potraktowanie próbki gleby roztworem zawierającym 1M NH4 + i oznaczenie w roztworze po reakcji zawartości Ca, Mg, Na i K oraz pH, które jest miarązawartości jonów H+.
Wyznaczona w ten sposób wartość CEC nazywana jest pojemnością całkowitą. Pojemność potencjalną wyznacza się traktując próbkę na przykład roztworem zawierającym 1M Mg2+w celu wysycenia wszystkich potencjalnych pozycji wymiennych a następnie desorbuje się magnez roztworem zawierającym 1M Ba2+lub 1M NH4+.
Kationy kwasowe
Glin w minerałach zachowuje zawsze wartościowość 3+. Uwolnione jony glinowe występują w glebach silnie zasadowych w postaci anionu Al(OH)4 -
W pozostałych przypadkach występują różne postacie kationów Al. W kompleksie sorpcyjnym mogą występować jako jony Al+3 a także hydroksykationy.
Po wyparciu do roztworu wszystkie jony glinu ulegają hydrolizie, uwalniając ilość jonów wodoru:
Al3+ +3H2O =l(OH)3 + 3H+
AlOH2+ +2H2O=Al(OH)3 + 2H+
Al(OH)2 + +H2O =l(OH)3 + H+
Podobnie zachowują się jony Fe i Mn ale ich znaczenie jest dużo mniejsze z uwagi na niewielką ilość w porównaniu do Al
Pojemność sorpcyjna gleby
T = S + H
S - suma kationów metali
H - stężenie jonów H+
Zdolność sorpcyjną gleb charakteryzuje również stopień nasycenia kompleksu sorpcyjnego jonami o charakterze zasadowym: V = S/T 100%