Gleba jako układ trójfazowy Gleba składa się z trzech faz: stałej, gazowej i ciekłej, występujących w różnych proporcjach.

Relacja pomiędzy tymi fazami głównie decyduje o właściwościach fiz. gleby. Przez właściw fiz. gleby rozumiemy te cechy, które wyróżniamy za pomocą zmysłów. Rozróżniamy 2 grupy fiz. właściwości gleby: 1)zasadnicze: gęstość fazy stałej gleby, gęstość gleby suchej, porowatość, zwięzłość, plastyczność, lepkość, struktura, tekstura, barwa. 2)funkcjonalne: właściwości wodne, powietrzne i cieplne. Właściwości fiz. gleb odznaczają się dużą dynamiką. Wywierają one wpływ na przebieg oraz tempo biol. i fiz.-chem. proc. glebowych. Gleby bogate w składniki pokarmowe, ale wykazujące złe właściwości fiz. (w ujęciu rolniczym), nie dają należytych plonów nawet przy sprzyjających warunkach atmosf.. Od właściw. fiz. w dużym stopniu zależy czas i zasięg rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w gruntach oraz przebieg procesu samooczyszczania. Zbadanie odpowiednich właściwości fizycznych jest więc niezbędne dla doboru właściwych metod uprawy roli, diagnozowania stanu czystości gruntów dla potrzeb ochrony środ. oraz doboru metod oczyszczania gruntów.

Faza stała gleby składa się z cząstek różniących się między sobą składem petrograficznym, właściwościami chem. oraz wielkością. Cząstki glebowe występują zwykle w postaci agregatów lub grudek zlepionych koloidami. Najczęściej substancję zlepiającą stanowi: próchnica, kalcyt, wodorotlenki glinu i żelaza, minerały ilaste oraz połączenia ilasto-próchniczne. Cząst.o różnych wymiarach można segregować i grupować w tzw. frakcje mech. o wymiarach mieszczących się w określonych granicach.

Frakcja mechaniczna Grupa cząst. o ściśle określ. wymiarach i często zbliżonych właściwościach fiz.-chem.

Skład granulometryczny - procentowa zawartość w glebie wszystkich frakcji, jest głównym czynnikiem decydującym o właściwościach fiz. i chem. gleby. Od niego zależy między innymi pojemność wodna i powietrzna, porowatość, zwięzłość, plastyczność, wszelkie rodzaje sorpcji oraz parametry mechaniczne. Od składu mech. zależy więc: a)sposób uprawy mech. oraz rodzaj zabiegów agrotech; b)dobór uprawianych roślin; c)rolnicza wartość użytkowa; d)szybkość rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń; e)zdolność do zatrzymywania zanieczyszczeń; f)metody rekultywacji; g)metody posadowień obiektów budowlanych warunki lokalizacji obiektów mogących pogorszyć stan środowiska

Podział gleb na frakcje mechaniczne Istnieją różne klasyfikacje podziału stałej W Pol. obowiązuje podział ustalony przez Komisję Klasyfikacji i Nomenklatury Gleb Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego (PTG).

Wg niego wyróżniamy: 1)części szkieletowe - średnica cząstek większa od 1 mm; 2)części ziemiste - średnica cząstek mniejsza od 1 mm.

Właściwości poszczególnych frakcji mechanicznych: Kamienie i żwir. Są to najgrubsze frakcje, tworzą tzw. szkielet glebowy Kamienie są to mało zmienione odłamki skał. Główną częścią składową żwirów są odłamki minerałów skałotwórczych, przy czym im żwir jest drobniejszy, tym więcej zawiera trudno wietrzejących minerałów. Najczęściej spotykanym minerałem jest kwarc. W skład żwiru mogą wchodzić również drobniejsze fragmenty odłamków skalnych. Gleby terenów nizinnych, z wyjątkiem obszarów morenowych, zawierają na ogół niewielkie ilości części szkieletowych. Znaczne ich ilości zawierają gleby terenów górskich. Znaczna zawartość części szkieletowych w glebach lekkich wpływa ujemnie na właściwości fizyczne, powodując zbytnią przewiewność i przepuszczalność. Frakcja piasku. Frakcja ta składa się prawie wyłącznie z odłamków minerałów skałotwórczych. W piasku grubym (1 - 0.5 mm) głównym minerałem jest kwarc oraz nieduże ilości trudniej wietrzejąch skaleni. Piasek średni (0,5 - 0,25mm) i drobny (0,25 - 0,1 mm) zawiera prawie wyłącznie drobne odłamki kwarcu. Ziarna piasku pochodzenia wodnego mają krawędzie zaokrąglone. Ziarna piasku akumulacji lodowcowej są ostrokrawędziaste i oprócz kwarcu zawierają również pewne ilości glinokrzemianów, z tego powodu gleby wytworzone z piasków akumulacji lodowcowej są zasobniejsze w składniki pokarmowe. Frakcja piasku wpływa rozluźniająco na spoistość gleby, zwiększa jej przepuszczalność i przewiewność. Gleby o dużej zawartości piasku tworzą układy o zbyt wielkiej liczbie dużych porów, co powoduje zbyt szybkie przesiąkanie wód opadowych do głębszych warstw, natomiast zasięg podsiąkania jest ograniczony. Z tego powodu gleby takie są zbyt suche, a przy małej zawartości glinokrzemianów są również ubogie w składniki pokarmowe. Frakcja pyłu (0,1 - 0,02 mm). Frakcja ta ma bardzo małą ilość krzemianów i glinokrzemianów Składa się głównie z drobnych odłamków kwarcu oraz zawiera pewną ilość bezpostaciowej krzemionki. Frakcja pyłu poprawia fizyczne właściwości gleb, ponieważ zwiększa pojemność wodną oraz zdolność do podsiąkania wody z głębszych warstw. Domieszka frakcji pyłu wpływa również na poprawę struktury gleb. Występowanie jednak jednolitych warstw drobnego pyłu w podłożu może powodować jego twardnienie, a tym samym uniemożliwiać korzeniom roślin przenikanie do głębszych warstw. Gleby z warstwą pyłu w podłożu łatwo przesychają. Frakcja iłu pyłowego grubego (0,02 - 0,005 mm). Frakcja ta składa się głównie z krzemionki bezpostaciowej oraz zawiera dużą ilość drobnych odłamków kwarcu. Nieduża zawartość tej frakcji w glebie wpływa korzystnie na poprawę struktury, zwiększa pojemność wodną oraz kapilarność gleby. Występując jednak w dużych ilościach wywołuje słabe zgruźlenie gleby, nieodpowiednie jej właściwości wodne i powietrzne. Frakcja iłu pyłowego drobnego (0,005 - 0,002 mm). Frakcja ta składa się głównie z krzemionki bezpostaciowej, lecz zawiera również pewną ilość minerałów ilastych, dzięki czemu właściwości chemiczne i fizyczne są często zbliżone do iłu koloidalnego. Ił pyłowy drobny ułatwia podnoszenie kapilarne wody. Frakcja iłu koloidalnego (< 0,002 mm). Frakcja ta posiada bardzo duży stopień rozdrobnienia i składa się głównie z produktów wietrzenia materiałów pierwotnych, substancji organicznych, połączeń organiczno-mineralnych, węglanu wapnia, niektórych form związków żelaza, glinu, manganu, tytanu i fosforu. Z produktów wietrzenia bardzo ważnym składnikiem we frakcji iłu koloidalnego są minerały ilaste, takie jak: kaolinit, montmorylonit, beidelit oraz uwodnione miki. Minerały te mają bardzo dużą pojemność sorpcyjną (szczególnie montmorylonit) w stosunku do kationów, w związku z tym zwiększają pojemność sopcyjną gleb. Ił koloidalny zlepia większe cząstki glebowe w agregaty i mikroagregaty, poprawia właściwości fizyczne gleby. Umiarkowana zawartość tej frakcji w glebie zwiększa jej wartość użytkową, takie gleby odznaczają się strukturą gruzełkową i są zasobne w składniki pokarmowe. Duża zawartość iłu koloidalnego w glebie zwiększa pęcznienie przy nawilgotnieniu, wzmaga lepkość, zwięzłość i plastyczność gleby. Gleby takie, pomimo zasobności w składniki pokarmowe, odznaczają się złymi właściwościami fizycznymi, są trudno przepuszczalne, często podmokłe i nieprzydatne dla wielu upraw. Podział utworów glebowych na grupy mechaniczne Utwory glebowe w naturze nie składają się z jednej frakcji. Podział utworów glebowych na grupy mechaniczne odbywa się na podstawie procentowej zawartości części spławialnych oraz frakcji pyłu i piasku. Uzupełniającym kryterium jest zawartość frakcji żwirowej i kamienistej. W tabeli 2 podano podział utworów glebowych na grupy mechaniczne wg PTG.

Metody oznaczania składu granulometrycznego Badania terenowe. W badaniach terenowych skład granulometryczny określa się w sposób orientacyjny na podstawie cech zewnętrznych. W praktyce inżynierskiej często spotykamy się z koniecznością szybkiego orientacyjnego określenia grupy mechanicznej w warunkach terenowych. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na praktyczną znajomość tej metody.

Warunki laboratoryjne. Istnieje wiele laboratoryjnych metod wyznaczania składu granulometrycznego. Zależnie od sposobu wykonania wyróżniamy:1)Metodę sitową; 2)Metody szlamowania. 1) -Metoda ta polega na przesianiu gleby przez zestaw sit o średnicy oczek wyznaczających wielkości żądanych frakcji. Na sucho możemy oddzielić jedynie frakcje piaskowe z utworów piaskowych, natomiast wszystkie pozostałe utwory należy speptyzować przez gotowanie w wodzie z dodatkiem Na₂CO₃ i przesiać na mokro.

Jednym z najważniejszych czynników, od którego zależy wiele procesów zachodzących w glebie oraz rozwój roślin i drobnoustrojów, jest woda. Fakt, że nasze rośliny uprawne na wyprodukowanie 1 kg suchej masy zużywają 250-900 litrów wody, już świadczy o bardzo dużym jej znaczeniu. W okolicach, gdzie opadów jest stosunkowo mało, woda jest głównym czynnikiem decydującym o wysokości plonów.

Zarówno brak wody, jak i za duża jej ilość w glebie nie jest pożądana. Nadmiar wody powoduje zmniejszenie ilości powietrza glebowego, przez co wpływa na przebieg różnych procesów redukcyjnych w glebie i na rozwój organizmów żywych. Dlatego poznanie zawartości wody w glebie oraz jej dynamiki w ciągu roku jest rzeczą bardzo ważną. Odpowiednia dla rozwoju roślin jej zawartość powinna się wahać w granicach 40-60% maksymalnej pojemności wodnej.

Oznaczanie węglanu wapnia w glebie Występowanie węglanu wapnia (CaCO₃) w glebach przeciwdziała ich zakwaszaniu. Dlatego też gleby w których znajdują się chociażby śladowe ilości węglanów poza kompleksem sorpcyjnym, mają odczyn obojętny lub zasadowy. W niektórych glebach poza węglanem wapnia, może występować węglan magnezowy (MgCO₃), a rzadziej węglany innych pierwiastków. W wierzchnich - ornych poziomach naszych gleb węglany występują rzadko, częściej można je spotkać w głębszych poziomach, leżących poniżej 80 - 100 cm od powierzchni. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez stacje chemiczno-rolnicze, około 70% naszych gleb wykazuje odczyn kwaśny w powierzchniowych warstwach i wymaga wapnowania. Gleby powstałe ze skał wapiennych, dolomitowych i siarczanowych zawierają z reguły węglany w całym profilu. Również większe prawdopodobieństwo występowania węglanów w całym profilu glebowym istnieje na terenach najmłodszego zlodowacenia bałtyckiego. Ponadto niektóre gleby brunatne, czarnoziemy i czarne ziemie wykazują zawartość CaCO₃ w całym profilu. Gleby zawierające węglan wapnia nie wymagają wapnowania przez długie lata. Ponadto gleby ciężkie, w których występuje CaCO₃ wykazują znacznie lepsze, z punktu widzenia rolniczego, właściwości fizyczne, np. lepszą przepuszczalność, penetrację powietrza, stan zgruźlenia. Węglan wapnia stosunkowo słabo rozpuszcza się w wodzie; jednak jego rozpuszczalność wzrasta w wodzie zakwaszonej CO₂. Wówczas przechodzi on w kwaśny węglan wapnia, który może w warunkach klimatu umiarkowanego ulegać stopniowemu wymywaniu z warstwy ornej w głąb profilu glebowego. Proces ten przebiega według następującej reakcji CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂. Obecność węglanów w poszczególnych poziomach genetycznych profilu glebowego łatwo jest wykryć w warunkach polowych za pomocą 10% kwasu solnego. Próbkę gleby polewamy kwasem solnym z kroplomierza i w przypadku obecności węglanów następuje mniej lub bardziej wyraźne burzenie się masy glebowej, co jest wynikiem uwalniania się dwutlenku węgla.

Wszystkie metody oznaczania węglanu wapnia we glebie opierają się na reakcji rozkładu węglanu kwasem, najczęściej solnym i oznaczaniu wydzielającego się CO₂ w myśl następującej reakcji

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂

O ilości węglanu wnioskujemy z ilości wydzielonego CO₂. W zależności od sposobu oznaczania wydzielającego się CO₂ metody oznaczania CaCO₃ można podzielić na dwie grupy:

metody wagowe, metody objętościowe. W metodach wagowych najczęściej absorbuje się wydzielający się CO₂ w rurkach wypełnionych wapnem sodowanym lub w aparatach wypełnionych roztworem KOH i z przyrostu masy oblicza się ilość CO₂, a stąd zawartość CaCO₃. Metody te znajdują zastosowanie w przypadku analiz ścisłych. Szybsze i znacznie prostsze od metod wagowych i dlatego powszechnie stosowane są metody objętościowe, w których zawartość CaCO₃ oblicza się z objętości wydzielonego CO₂

Oznaczenie wilgotności aktualnej w glebie - W_p Wilgotność aktualna gleby jest to ta ilość wody, jaka w danym momencie występuje w glebie w polu. Pobieramy około 50 g gleby w dowolnym punkcie pola lub poziomu genetycznego profilu glebowego do szalki Petriego, uprzednio wysuszonej w 105^oC i zważonej. Szalkę z glebą ważymy na wadze analitycznej z dokładnością do 0,01 g. Następnie szalkę wstawiamy do suszarki i suszymy w temperaturze 105^oC do stałej wagi. Potem przenosimy ją do eksykatora, studzimy i ważymy.

Po zważeniu obliczamy aktualna zawartość wody w badanej próbce pobranej w polu wg wzoru: gdzie: a - waga szalki Petr; b - waga szalki z glebą pobraną w polu; c - waga szalki z glebą po wysuszeniu w 105^oC,Oznaczenie wody higroskopowej - W_h Oznaczanie polega na wysuszeniu odważki startej powietrznie suchej gleby w temperaturze 105^oC. Z różnicy ciężarów przed i po wysuszeniu oblicza się w procentach stosunek wyparowanej wody do suchej masy gleby. Wsypujemy około 50 g gleby powietrznie suchej, przesianej przez sito o średnicy 1,0 mm, do szalki Petriego, uprzednio wysuszonej w 105^oC i zważonej. Szalkę wraz z glebą ważymy na wadze technicznej z dokładnością do 0,01 g, a następnie i wstawiamy ją do suszarki. Szalkę z glebą suszymy w suszarce do stałej wagi (ok. 5 godzin) w temperaturze 105^oC. Następnie przenosimy ją do eksykatora , studzimy i ważymy.

Po zważeniu obliczamy zawartość wody higroskopijnej w badanej próbce gleby wg wzoru:

gdzie: a - waga szalki Petriego, b - waga szalki z glebą powietrznie suchą, c - waga szalki z glebą po wysuszeniu w 105^oC.

W podobny sposób metoda suszarkową możemy określić w glebach maksymalną pojemność wodną, kapilarną pojemność wodną, polową pojemność wodną i higroskopową pojemność wodną. W tych przypadkach należy tylko pobrać do analizy próbkę gleby w odpowiednim stanie uwilgocenia. Obliczenie zawartości suchej masy w glebie - S_m Pojęcie zawartości suchej masy w glebie (zarówno o wilgotności aktualnej, jak i w stanie powietrznie suchym) wprowadzono po to, aby możliwe było przeliczanie przy użyciu różnych wzorów matematycznych zawartości poszczególnych składników (w tym również zanieczyszczeń), zawartych w glebie o wilgotności aktualnej lub powietrznie suchej do zawartości w glebie „absolutnie” suchej (wysuszonej w temperaturze 105°C).

Obliczenie zawartości suchej masy w glebie (S_m) o dowolnej wilgotności: gdzie: a - waga szalki Petriego, b - waga szalki z glebą pobraną w polu lub powietrznie suchą, c - waga szalki z glebą po wysuszeniu w 105^oC. Wartość S_m nigdy nie przekroczy 100 %. Celem metod polowych jest proste i szybkie oznaczenie wody zawartej w glebie, nawet kosztem pewnego zmniejszenia dokładności wyników. Najprostszą i najwygodniejszą metodą stosowaną w polu jest metoda makroskopowa. W metodzie tej na podstawie cech zew. jak: wygląd, plastyczność, zwilżanie bibuły, glebę zalicza się do jednej z czterech klas:

1) gleba sucha, 2) świeża, 3) wilgotna, 4) mokra. Z metod instrumentalnych, znacznie dokładniejszych, do oznaczania wilgotności gleby w polu można stosować: Metoda alkoholowa jest metodą wagową. Wilgotność gleby oznacza się z różnicy mas próbki pobranej do cylinderka przed i po wyparowaniu wody. Odparowanie wody następuje w wyniku spalenia alkoholu, którym zalewa się próbkę gleby. Metoda ekstrakcyjno-kolorometryczna wykorzystuje zjawisko zmiany barwy wskaźnika zależnie od zawartości wody w glebie. Wskaźnikiem jest roztwór CoCl₂ w acetonie. Zmiany barwy można ocenić wizualnie i porównać ze wzorcami lub pomierzyć na fotokalorymetrze polowym i odczytać wilgotność na krzywej wzorcowej. Metoda elektrometryczna wykorzystuje związek istniejący pomiędzy wilgotnością gleby a jej opornością elektryczną - im większa jest wilgotność gleby, tym mniejsza jej oporność elektryczna i przeciwnie, im jest większa oporność elektryczna gleby, tym niższa jej wilgotność. Zależność pomiędzy logarytmem tych dwóch parametrów jest prostoliniowa: lgR=f(lgW). W glebie umieszczone są elektrody, a do wychodzących na powierzchnię końcówek podłączone jest urządzenie pomiarowe. Wilgotność odczytuje się z krzywej kalibracyjnej. Metoda ta stosowana jest do stacjonarnych pomiarów dynamiki wilgotności gleby. Metoda tensjometryczną polega na pomiarze tzw. siły ssącej gleby jako wskaźnika jej wilgotności. Tensjometr zbudowany jest z naczyńka z porowatej gliny, przepuszczającej wodę, które połączone jest rurką szklaną z manometrem rtęciowym. Naczyńko wypełnia się wodą destylowaną i umieszcza w glebie. Woda przechodzi z naczyńka do gleby w ilości zależnej od wielkości siły ssącej gleby. Siłę ssącą oblicza się z różnicy poziomu rtęci przed i po pomiarze. W metodzie radiometrycznej (neutronowej) do pomiaru wilgotności gleb używa się neutronów i protonów. Zasada działania aparatu przy pomiarze wilgotności opiera się na wysyłaniu przez umieszczony w glebie trzon radowo-berylowy szybkich neutronów. Bieg tych neutronów osłabia wodór, który w glebach mineralnych występuje głównie z wodą. Liczba powolnych neutronów zmierzona w jednostkach czasu na liczniku pozwala oznaczyć ilość wody w badanej glebie.

Oznaczanie węglanu wapnia w glebie Występowanie węglanu wapnia (CaCO₃) w glebach przeciwdziała ich zakwaszaniu. Dlatego też gleby, w których znajdują się choc śladowe ilości węglanów poza kompleksem sorpcyjnym, mają odczyn obojętny lub zasadowy. W niektórych glebach poza węglanem wapnia, może występować węglan magnezowy (MgCO₃), a rzadziej węglany innych pierwiastków. W wierzchnich - ornych poziomach naszych gleb węglany występują rzadko, częściej można je spotkać w głębszych poziomach, leżących poniżej 80 - 100 cm od powierzchni. Jak wynika z badań przeprowadzonych przez stacje chemiczno-rolnicze, około 70% naszych gleb wykazuje odczyn kwaśny w powierzchniowych warstwach i wymaga wapnowania. Gleby powstałe ze skał wapiennych, dolomitowych i siarczanowych zawierają z reguły węglany w całym profilu. Również większe prawdopodobieństwo występowania węglanów w całym profilu glebowym istnieje na terenach najmłodszego zlodowacenia bałtyckiego. Ponadto niektóre gleby brunatne, czarnoziemy i czarne ziemie wykazują zawartość CaCO₃ w całym profilu. Gleby zawierające węglan wapnia nie wymagają wapnowania przez długie lata. Ponadto gleby ciężkie, w których występuje CaCO₃ wykazują znacznie lepsze, z punktu widzenia rolniczego, właściwości fizyczne, np. lepszą przepuszczalność, penetrację powietrza, stan zgruźlenia. Węglan wapnia stosunkowo słabo rozpuszcza się w wodzie; jednak jego rozpuszczalność wzrasta w wodzie zakwaszonej CO₂. Wówczas przechodzi on w kwaśny węglan wapnia, który może w warunkach klimatu umiarkowanego ulegać stopniowemu wymywaniu z warstwy ornej w głąb profilu glebowego. Proces ten przebiega według następującej reakcji CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂. Obecność węglanów w poszczególnych poziomach genetycznych profilu glebowego łatwo jest wykryć w warunkach polowych za pomocą 10% kwasu solnego. Próbkę gleby polewamy kwasem solnym z kroplomierza i w przypadku obecności węglanów następuje mniej lub bardziej wyraźne burzenie się masy glebowej, co jest wynikiem uwalniania się dwutlenku węgla.

Wszystkie metody oznaczania węglanu wapnia we glebie opierają się na reakcji rozkładu węglanu kwasem, najczęściej solnym i oznaczaniu wydzielającego się CO₂ w myśl następującej reakcji CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂. O ilości węglanu wnioskujemy z ilości wydzielonego CO₂. W zależności od sposobu oznaczania wydzielającego się CO₂ metody oznaczania CaCO₃ można podzielić na dwie grupy: a)metody wagowe, b)metody objętościowe.

W metodach wagowych najczęściej absorbuje się wydzielający się CO₂ w rurkach wypełnionych wapnem sodowanym lub w aparatach wypełnionych roztworem KOH i z przyrostu masy oblicza się ilość CO₂, a stąd zawartość CaCO₃. Metody te znajdują zastosowanie w przypadku analiz ścisłych. Szybsze i znacznie prostsze od metod wagowych i dlatego powszechnie stosowane są metody objętościowe, w których zawartość CaCO₃ oblicza się z objętości wydzielonego CO₂

Oznaczanie odczynu gleby (pH). Pod pojęciem odczynu rozumie się stosunek jonów wodorowych H⁺ do jonów wodorotlenkowych OH^-. Kwaśny odczyn jest wtedy, gdy ten stosunek jest większy od 1, odczyn zasadowy zaś, gdy stosunek jest mniejszy od 1. W przypadku równej ilości jonów wodorowych i wodorotlenowych odczyn jest obojętny. Poznanie odczynu gleby jest zagadnieniem bardzo ważnym. Od odczynu zależą bowiem w dużym stopniu własności chem, fiz. i biol. gleby, a więc ważne czynniki decyduje o jej żyzności. Ze zmianą odczynu wiąże się mniejsza lub większa przyswajalność składników pokarmowych zawartych w glebie, a więc łatwość pobierania ich przez rośliny. Od odczynu zależy również w dużym stopniu rozwój drobnoustrojów glebowych, odgrywających szczególnie ważną rolę w procesie uprzystępniania i pobierania przez roślinny składników pokarmowych. Oprócz tego odczyn gleb wpływa bezpośrednio na rozwój samych roślin. Oznaczenie odczynu w różnych poziomach genetycznych gleby pozwala na zorientowanie się w procesach zachodzących w profilu danej gleby.

Przy omawianiu odczynu gleby posługujemy się symbolem pH. pH jest to ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia jonów wodorowych. Pomiar pH ma na celu znalezienie wzajemnego stosunku stężenia jonów H⁺ i OH^- w roztworach glebowych, gdyż jeżeli: [H⁺] = [OH^-], to odcz. będzie obojętny i pH = 7,

[H⁺] > [OH^-}, to odcz. gl. będzie kwaśny i pH < 7,

[H⁺] < [OH^-], to odcz. gl. będzie zasadowy i pH > 7.

Stężenie jonów wodorowych oznacza się w wyciągach wodnych z gleb i wówczas mówi się o stężeniu czynnych jonów wodorowych znajdujących się w roztworach glebowych. Stężenie to oznaczamy symbolem pH _(H2O) lub pH_c Gdy określamy pH w wyciągach 1n KCl mówimy o stężeniu wymiennych jonów wodorowych zasorbowanych wymiennie przez kompleks sorpcyjny i oznaczamy je symbolem pH _(KCl) lub pH_w. Należy podkreślić, że pomiar prowadzony w 1 n KCl daje niższe pH od pomiaru przeprowadzonego w wodzie. Pochodzi to stąd że przy oznaczaniu pH w wodzie mierzymy stężenie jonów wodorowych roztworu glebowego, natomiast przy oznaczaniu pH w 1 n KCl mierzymy stężenie jonów wodorowych roztworu glebowego oraz pewną ilość jonów H⁺ wypartych z kompleksu sorpcyjnego gleby.

pH_w < H_c

Na przykład, jeżeli zmierzymy stężenie jonów wodorowych w wyciągu wodnym z gleby i wyniesie ono 5,5, to w wyciągu 1n KCl tej samej gleby pH może wynosić dla przykładu 4,8, a nigdy odwrotnie.

W Polsce przyjęto następujący podział gleb ze względu na stężenie jonów wodorowych mierzonych w 1n KCl:

gleby silnie kwaśne o pH < 4,5,

gleby kwaśne o pH od 4,6 do 5,5,

gleby słabo kwaśne o pH od 5,6 do 6,5,

gleby obojętne o pH od 6,6 do 7,2,

gleby zasadowe o pH > 7,2.

Metoda Scheiblera

Roztartą w porcelanowym moździerzu i przesianą przez sito o średnicy oczek 1 mm glebę w stanie powietrznie suchym odważamy, zależnie od wstępnie oszacowanej zawartości węglanów, w ilości od 1 do 10 g. Przy mniejszej zawartości węglanów odważamy większą naważkę, a przy większej - mniejszą. Odważona próbkę wsypujemy do kolby. Za pomocą pipety wlewamy 10% HCl do probówki umieszczonej w kolbie. Kolbę zatykamy korkiem i wyrównujemy poziom cieczy w obu rurkach do poziomu punktu zerowego, manipulując naczyńkiem wzbiorczym połączonym z drugim ramieniem rurki o kształcie litery „U”. Rurka ta napełniona jest roztworem siarczany miedzi, który nie pochłania wydzielającego się CO₂, a niebieski kolor tego roztworu ułatwia odczyt.

W tym celu, po uprzednim nasypaniu odważki gleby i wprowadzeniu do kolby probówki z kwasem, kolbę zamykamy korkiem. Zamykamy również kranik, łączący biuretę z atmosferą. Następnie obniżamy naczynie wzbiorcze o około 20 cm - 30 cm i obserwujemy poziom cieczy w biurecie. Jeżeli układ jest szczelny, to poziom cieczy w biurecie nie będzie się stale obniżał, lecz po chwili ustabilizuje się i będzie stały. W przypadku istnienia jakichkolwiek nieszczelności - poziom cieczy w biurecie będzie się systematycznie obniżał, dążąc do wyrównania poziomów.

Po przeprowadzeniu testu na szczelność podnosimy naczynie wzbiorcze do poziomu zerowego, otwieramy kran łączący biuretę z atmosferą i podnosząc albo opuszczając naczynie wzbiorcze ustawiamy poziom cieczy w biurecie na poziom „0”.

Znajdujący się u góry kranik zamykamy, a następnie kolbę z glebą i HCl przechylamy w ten sposób, aby HCl wylał się z probówki na glebę. W czasie wywiązywania się CO₂ wstrząsamy kolbę oraz stopniowo spuszczamy roztwór siarczanu miedzi do butelki, w miarę jak opada menisk tego roztworu w wyskalowanym prawym ramieniu aparatu. Pomiar trwa aż do zaniku wydzielania się CO₂. Wtedy ponownie wyrównujemy poziom w obu ramionach rurki „U” przez spuszczenie roztworu do naczynia wzbiorczego, a aparat pozostawiamy w spokoju na 10 minut. Jeżeli nie wydzieliło się więcej C0₂, wówczas na skali prawego ramienia rurki wykonujemy odczyt, jeżeli natomiast wydzieliło się jeszcze trochę CO₂, wyrównujemy poziomy w obu ramionach i dopiero wtedy dokonujemy odczytu. Ilość cm³ wydzielonego CO₂ otrzymamy z ilości wypartego roztworu siarczanu miedzi. Ponieważ objętość gazów zależy od temperatury i ciśnienia odczytujemy ponadto temperaturę i ciśnienie barometryczne panujące w danym pomieszczeniu. Następnie w tabeli 1 znajdujemy masę CaCO₃ w mg na 1 cm³ wywiązanego w odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu CO₂. Procentową zawartość węglanu wapnia obliczamy według wzoru:

Metody oznaczania pH gleby

W gleboznawstwie, do oznaczania stężenia jonów wodorowych w glebie stosujemy orientacyjne metody kolorymetryczne, używane najczęściej w badaniach terenowych, a w laboratoriach - dokładne metody elektrometryczne.

Metoda kolorymetrycznego oznaczania pH gleby: Zasada. W metodach kolorymetrycznych wykorzystuje się właściwość i wskaźników - indykatorów. Wskaźniki są to związki organiczne o charakterze słabych kwasów , zasad lub elektrolitów amfoterycznych . W zależności od stężenia jonów wodorowych w badanej próbce określony wskaźnik lub ich zespół (mieszanina) zmienia swoje zabarwienie (kolor). Oznaczenie pH polega na porównaniu barwy, jaką po dodaniu odpowiedniej ilości wskaźnika przybierze badany roztwór, z barwną skalą wzorcową. Wykonanie. Badanie przeprowadzamy w kwasomierzu glebowym. We wgłębieniu pytki umieszczamy niedużą ilość gleby i dodajemy kroplami indykator Helliga (zespół wskaźników czułych na stężenie jonów wodorowych w zakresie pH 4 - 8) w takiej ilości, aby próbka została zanurzona w roztworze. Płytkę z glebą lekko mieszamy i pozostawiamy na około 3 minuty w spokoju, a następnie lekko przechylamy, tak aby odczynnik przelał się w rowek. Płyn w rowku porównujemy ze skalą barwną płytki i odczytujemy pH gleby. Otrzymany wynik daje nam wartość pH_w, gdyż odczynnik (indykator) został wykonany na roztworze 1n KCl.

Metoda elektrometryczna oznaczania pH gleby. Zasada. Metoda ta oparta jest na pomiarze siły elektromotorycznej ogniwa składającego się z dwu elektrod. Jedna z elektrod ma stały potencjał niezmienny i jest elektrodą porównawczą, druga elektroda posiada potencjał zależny od stężenia jonów wodorowych w badanym roztworze. Elektrodą pierwszą jest elektroda kalomelowa (o składzie Hg(HgCl₂) KCl - nasycony). Elektrody pomiarowe to: wodorowa, chinhydronowa i najczęściej stosowana elektroda szklana , uważana za najprostszą w użyciu. Pomiar wykonujemy w ten sposób, że elektrody kolomelową i szklaną umieszczamy w badanym roztworze, w wyniku czego powstaje ogniwo o budowie Hg(HgCl₂) KCl-Pt/bufor. Ogniwo to podłączone do galwanometru, pozwala odczytać napięcie jakie powstaje zależnie od stężenia jonów wodorowych w badanym roztworze. Im większa koncentracja jonów wodorowych, tym bardziej wzrasta potencjał na elektrodzie pomiarowej. Oczywiście potencjał ten zależy od stężenia jonów wodorowych i wynosi V = + 0,058 log₁₀H⁺, tzn., że jeżeli stężenie jonów wodorowych wzrośnie dziesięciokrotnie, np. z 0,1 n do 1,0 n roztworu wówczas log₁₀H⁺ zmieni się o 1, a zatem potencjał zmieni się o wartość 0,058 V. Obecnie posługujemy się aparatami pomiarowymi, których skala podaje bezpośrednio wartość pH. Aparaty te są nazywane pehametrami. Wykonanie. Do dwóch naczynek szklanych o pojemności 50 cm³ (ml) odważyć po 20 g gleby powietrznie suchej, przesianej przez sito o średnicy oczek 1 mm . Do jednego naczyńka wlać 50 cm³ (ml) wody destylowanej uprzednio przegotowanej i ostudzonej pod zamknięciem, a do drugiego - 50 cm³ (ml) 1 n KCl przygotowanego również w wodzie destylowanej, gotowanej. 1n KCl powinien posiadać pH w granicach 6,5 ÷ 7,0. Zawartość wymieszać bagietką szklaną i pozostawić przez co najmniej 2 godziny w spokoju. Ponieważ całkowita równowaga pomiędzy roztworem a glebą zachodzi dopiero po 20 ÷ 24 godzinach, dlatego przy ścisłych badaniach próbki zalane wodą lub chlorkiem potasu (KCl) lepiej pozostawić na okres 24 godzin. Po tym okresie wykonać pomiary za pomocą pehametru, włączając przy tym elektrodę kalomelową i szklaną do aparatu. Aparat włączyć sprawdzając jego działanie na roztworach buforowych o znanym pH. Następnie wymieszać zawartość bagietką i wykonać pomiar zanurzając obie elektrody do naczyńka z zawiesiną glebową. Przy użyciu elektrody szklanej możemy oznaczyć pH w zakresie 0 ÷ 14 z dokładności do 0,1. Ze skali pehametru odczytujemy wartość pH_c i pH_w. Po każdym odczycie należy elektrody przepłukać wodą destylowaną z tryskawki.

Oznaczanie zasolenia (przewodności lektrolitycznej) gleby:Do wykonania oznaczenia wykorzystujemy roztwór glebowy pozostały po oznaczeniu odczynu wyciągu wodnego pH_c. Bardzo ważne jest, aby próbka ta nie była zanieczyszczona nawet śladowymi ilościami KCl, który używa się w postaci 1N roztworu do badania pH_w (zanieczyszczenie próbki może nastąpić podczas pomiaru odczynu niezbyt dobrze opłukaną elektrodą lub też, gdy tą samą bagietką na przemian miesza się zawiesinę glebową w roztworze 1N KCl i w wodzie destylowanej).Sam pomiar przewodności elektrolitycznej polega na zanurzeniu czujnika platynowego wykalibrowanego uprzednio konduktometru do zlewki z wodną zawiesiną glebową i odczytaniu wskazania aparatu. W przypadku pomiarów wykonywanych w temperaqturze innej niż 20ºC - należy albo uwzględnić poprawkę albo użyć czujnika kompensującego zmiany. Wynik podaje się w μS/cm z zaznaczeniem w jakim stosunku została zmieszana gleba z wodą (w naszym przypadku wynosi on 4 części wagowe gleby + 10 części objętościowych wody).

OZNACZANIE SUMY ZASAD WYMIENNYCH O CHARAKTERZE ZASADOWYM METODĄ KAPPENA Definicja

Suma zasad wymiennych (oznaczana symbolem S) jest to ilość wszystkich kationów zasadotwórczych, zaabsorbowanych wymiennie przez kompleks sorpcyjny. Suma zasad przedstawia ogólną zawartość kationów zasadowych zaabsorbowanych w glebie oraz jest częścią składową pojemności kompleksu sorpcyjnego.

Zasada metody Kappena jest jedną z najprostszych i najszybszych metod oznaczania sumy zasad wymiennych, choć mniej dokładną Oznaczanie zasad wymiennych (S) polega na traktowaniu gleby określoną ilością roztworu HCl o stężeniu 0.1 mol/dm³. Kation wodoru znajdujący się w nadmiarze (pierwszeństwo wejścia) wypiera z kompleksu sorpcyjnego kationy zasadowe: [KS] Ca⁺⁺ 3 HCl = [KS] CaCl₂ + HCl ; Część HCl zostaje związana przez kationy, jego zaś nadmiar oznacza się przez miareczkowanie roztworem NaOH o stężeniu 0.1 mol/dm³ wobec wskaźnika Tashiro Z różnicy między dodaną do gleby ilością HCl a pozostałą wylicza się ilość zużytą na wyparcie i zobojętnienie zasad wymiennych.

OZNACZENIE KWASOWOŚCI HYDROLITYCZNEJ METODĄ KAPPENA Definicja: Kwasowość hydrolityczna jest to całkowita zawartość jonów wodoru i glinu w roztworze glebowym i kompleksie sorpcyjnym. Proces zakwaszania gleb: Zakwaszenie gleb następuje na skutek wymycia węglanu wapnia oraz kationów zasadowych (Ca, Mg, K, Na) znajdujących się w kompleksie sorpcyjnym warstwy wierzchniej do głębszych poziomów gleby. Na ich miejsce wchodzą jony H⁺ i jony Al³⁺. Głównym czynnikiem przyśpieszającym proces zakwaszania gleb jest obecność CO₂. znajdującego się w opadach i wydzielającego się w procesie rozkładu masy organicznej oraz metabolizmu makro i mikro organizmów. CO₂ + H₂O → H₂CO₃ → 2H⁺ + CO₃^2-; Powstały kwas węglowy ma znacznie większą zdolność rozpuszczania CaCO₃ niż woda, a kationy wodorowe wypierają z kompleksu kationy zasadowe. Zakwaszenie gleb powodują również bakterie nitryfikacyjne utleniające azot do HNO₃ oraz siarkowe utleniające związki siarki do H₂SO₄. Obecnie duży wpływ na ten proces ma rozwój przemysłu (kwaśne deszcze) i stosowanie nawozów fizjologicznie kwaśnych. Rodzaje kwasowości: Na całkowitą kwasowość gleby składają się jony H⁺ występujące w roztworze glebowym oraz jony H⁺ i Al³⁺ w kompleksie sorpcyjnym gleby. Wyróżnia się następujące rodzaje kwasowości:

1)Kwasowość czynna (aktywna) - jony H⁺ występujące w roztworze glebowym. Można ją oznaczyć działając na glebę wodą destylowaną.

2)Kwasowość potencjalna - jony H⁺ i Al³⁺ zaabsorbowane są w kompleksie sorpcyjnym. Kwasowość potencjalna dzieli się na: a) kwasowość wymienną - jony H⁺ i Al³⁺ luźno związane z kompleksem sorpcyjnym. Można ją oznaczyć działając na glebę roztworami soli obojętnych np. KCl b) kwasowość hydrolityczną właściwą - jony H⁺ i Al³⁺ są silnie związane z kompleksem sorpcyjnym. Można ją oznaczyć działając na glebę roztworem soli hydrolizującej zasadowo (np. octan wapnia lub octan sodu) i odejmując jony H⁺ oznaczane w roztworze wodnym i KCl.

Wyróżnia się jeszcze pojęcie kwasowości hydrolitycznej ogólnej, która jest sumą kwasowości czynnej i potencjalnej. Obejmuje ona wszystkie jony wodorowe oraz glinowe występujące w glebie , przechodzące do roztworu soli hydrolizujących zasadowo. Cel oznaczania kwasowości gleby Oznaczanie kwasowości gleby pozwala ocenić potrzeby wapnowania gleby. Na podstawie kwasowości czynnej i wymiennej można określić tylko orientacyjne potrzeby wapnowania gleby. Oznaczenie kwasowości hydrolitycznej ogólnej pozwala na obliczenie dawki CaO lub CaCO₃ - teoretycznie doprowadzając glebę do odczynu obojętnego. Doprowadzenie gleby do odczynu obojętnego lub alkalicznego ma podstawowe znaczenie w działaniach mających na celu ochronę i rekultywację gleb. Między innymi od odczynu gleby zależy możliwość przemieszczania się wielu substancji w glebie (np. metali ciężkich). Buforowe właściwości gleb: Praktycznie nie dochodzi jednak do całkowitego zobojętnienia gleby ze względu na jej właściwości buforowe. Przez właściwości buforowe gleby rozumie się opór, jaki stawia gleba na działanie substancji zakwaszających lub alkalizujących. Buforowość gleby zależy od pojemności kompleksu sorpcyjnego gleby (udział części spławialnych i próchnicy, zawartości związków wielostopniowej dysocjacji (fosforany, węglany) oraz związków amfoterycznych. Gleby lekkie mające ubogi kompleks sorpcyjny są słabo zbuforowane i łatwo zmieniają odczyn. W glebach ciężkich oraz próchnicznych proces ten przebiega powoli. Do osiągnięcia podobnego efektu trzeba użyć większej dawki substancji zakwaszającej lub alkalizującej. właściwości buforowe należy brać pod uwagę w trakcie ustalania dawki oraz doboru nawozu wapniowego. Nawozów szybko działających zawierających CaO nie należy stosować na gleby lekkie, żeby nie spowodować nagłych zmian odczynu. Należy tu stosować CaCO₃ wolno działającą.

OKREŚLENIE POJEMNOŚCI SORPCYJNEJ GLEB ORAZ STOPNIA WYSYCENIA KOMPLEKSU SORPCYJNEGO KATIONAMI ZASADOWYM

Definicja Pojemność kompleksu sorpcyjnego gleby jest to suma wszystkich kationów zdolnych do wymiany, jakie gleba może zatrzymać. Jest to wartość charakterystyczna dla danej gleby. Pojemność sorpcyjna gleb (T) równa się więc sumie kationów zasadowych S i całkowitej kwasowości hydrolitycznej H_h, stąd T = S + H_h i wyrażana jest w milirównoważnikach na 100 g gleby. * Różne gleby wykazują istotne różnice pod względem pojemności sorpcyjne. Pojemność sorpcyjna gleby zależy w pierwszym rzędzie od:

1. ilości i jakości próchnicy glebowej

2. rodzaju i ilości materiałów ilastych

3. odczynu gleby

4. stopnia hydracji kationów

5. wartościowości kationów

Ilość cząstek koloidalnych ( < 0.002 mm ) ma decydujące znaczenie dzięki ich ogromnej powierzchni. Cząstki grubsze w zjawisku sorpcji grają tylko bardzo nieznaczną rolę. Stąd też gleby ciężkie i próchniczne, zawierające większe ilości koloidów mineralnych i organicznych odznaczać się będą większą pojemnością sorpcyjną od gleb lekkich i słabo próchnicznych. Jednakże nie tylko ilość koloidów mineralnych i organicznych decyduje o wielkości T, ponieważ różne koloidy mineralne, zależnie od ich budowy, a zwłaszcza wielkości powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej, wykazują większą lub mniejszą pojemność sorpcyjną. Wartość T dla danego rodzaju i typu gleby jest w pewnym przybliżeniu wartością stałą, ulegającą niewielkim wahaniom, natomiast wzajemny stosunek S do H_h jest dynamiczny i ciągle się zmienia raz na korzyść S, innym razem na korzyść H_h. Szczególnie silnie zmieniają się wartości S i H_h w glebach uprawnych, pod wpływem zabiegów agrotechnicznych. W glebach wapniowych , burzących się z kwasem solnym, zdecydowanie przeważają kationy wymienne zasadowe, takie jak: Ca, Mg, K. W glebach kwaśnych - bielicowych, brunatnych kwaśnych i rdzawych dominują na ogół w kompleksie wodór i glin wymienny, a kationy zasadowe, takie jak Ca, Mg, i K, stanowią niewielki procent w kompleksie sorpcyjnym. Im więcej w kompleksie sorpcyjnym znajduje się jonów wodorowych, tym bardziej jest on „nienasycony” i tym bardziej kwaśna staje się gleba. W przypadku nadmiaru wodoru w kompleksie sorpcyjnym , możemy zmniejszać jego ilość przez wapnowanie gleby tlenkiem wapnia lub węglanem wapnia. Stąd też stosunek kationów zasadowych do wodoru w kompleksie sorpcyjnym jest ważnym wskaźnikiem zarówno ze względu na kierunek procesu glebotwórczego i potrzeby nawozowe, jak również ze względu na ocenę stopnia degradacji gleb w wyniku zanieczyszczania gleb różnymi związkami chemicznymi o charakterze kwaśnym lub zasadowym. Stosunek ten wyrażamy w procentach

---