Oznaczanie pojemności sorpcyjnej gleb

1. Wiadomości ogólne

Pojemność sorpcyjna gleb jest to całkowita ilość kationów o charakterze zasadowym (np.: Ca, Mg, K, Na) i kwasowym (H, Al), którą gleba może związać. Wielkość pojemności sorpcyjnej wyrażamy w milirównoważnikach na 100 gramów gleby.

Sorpcja kationów odbywa się głównie między powierzchnią fazy stałej gleby, a fazą płynną, czyli roztworem glebowym.

Wzrastające stężenie dowolnego kationu w roztworze glebowym powoduje wyparcie innego kationu z fazy stałej gleby do roztworu. Najszybciej wypierane są te kationy, których stężenie w roztworze glebowym jest najmniejsze.

W sorbowaniu kationów bierze udział tylko część fazy stałej, a mianowicie części ilaste (<0,002 mm). W związku z tym gleby mineralne, które zawierają duże ilości takich cząstek wykazują dużą wymienną pojemność sorpcyjną w stosunku do kationów. Wielkość pojemności gleb mineralnych zależy także od składu i budowy cząstek ilastych, do których zaliczamy głównie minerały ilaste takie jak: kaolinit, illit, montmorylonit, wermikulit, chloryty oraz tlenki i wodorotlenki, a także próchnicę.

Właściwości sorpcyjne minerałów i próchnicy poszczególnych gleb znacznie się różnią i dlatego wielkość sorpcji w glebach zależy nie tylko od ilości cząstek ilastych, ich składu i budowy, ale także od wzajemnego stosunku minerałów i próchnicy.

W porównaniu z glebami mineralnymi właściwości sorpcyjne torfu są wyższe i wzrastają w miarę zwiększania się stopnia humifikacji. Pojemność sorpcyjna w różnych torfach jest bardzo różna. Torfy niskie mają większą pojemność sorpcyjną niż torfy wysokie. Pojemność sorpcyjna wyrażana w milirównoważnikach na 100g suchej masy torfu, waha się w torfach wysokich w granicach od 90 do 150, a w torfach niskich od 150 do 240.

Pojemność sorpcyjna torfów zależy od gatunku torfu, od stopnia rozkładu torfu, a także od tego czy torf znajduje się w stanie naturalnego uwilgotnienia, czy jest wysuszony i w jakim stopniu uległ wysuszeniu. Zawartość wody w torfie albo stopień jego wysuszenia ma także duże znaczenie, gdyż pojemność sorpcyjna torfu zmniejsza się tym silniej, im większy jest stopień przesuszenia torfu. Wynika to z faktu, że największą pojemność sorpcyjną posiadają kwasy huminowe, które przy wysychaniu ulegają denaturyzacji, zasychają "nieodwracalnie".

Oznaczanie pojemności sorpcyjnej gleb można przeprowadzić różnymi metodami. Zasadą wszystkich metod jest wypieranie z kompleksu sorpcyjnego gleby kationów zasadowych i kwasowych za pomocą różnych roztworów soli i kwasów.

Podczas ćwiczeń pojemność sorpcyjną gleby oznaczamy metodą uproszczoną Kappena, która polega na wyparciu z kompleksu sorpcyjnego kationów zasadowych za pomocą 0,1n HCl, a kationów wodorowych 1n Ca(CH₃COO)₂

2. Oznaczanie sumy zasadowych kationów wymiennych - S

2a. Wykonanie oznaczenia dla gleb mineralnych:

W celu wykonania oznaczeń odważamy 30 g gleby powietrznie suchej przesianej przez sito o średnicy 1mm i wsypujemy do kolby 300-500 cm³ oraz zalewamy 150 cm³ 0,1n HCl. Kolbę zamykamy korkiem i wytrząsamy przez 1 godz. Po tym czasie zawartość kolby sączymy przez średniej gęstości sączek, a do analizy pobieramy dwie porcje po 50 cm³ każda, do kolb stożkowych o pojemności 100 cm³. Do każdej porcji przesączu dodajemy kilka kropli fenoloftaleiny i miareczkujemy roztworem 0,1n NaOH do wystąpienia słabo różowego zabarwienia.

W badanej glebie mogą występować wodorotlenki żelaza i glinu, które mogą utrudniać oznaczenia wytrącając się w postaci zawiesiny koloidalnej. W tej sytuacji należy odczekać aż zawiesina opadnie i wtedy sprawdzić zabarwienie roztworu nad zawiesiną na tle białego papieru.

2b. Wykonanie oznaczenia dla torfów.

W celu wykonania oznaczeń odważamy 20 g torfu i wsypujemy do kolby 300-500 cm³ oraz zalewamy 100 cm³ 0,1n HCl: zamykamy korkiem i wytrząsamy przez 1 godz. Zawartość sączymy, a do analizy pobieramy 50 cm³. Do przesączu dodajemy kilka kropli fenoloftaleiny i miareczkujemy 0,1n NaOH do wystąpienia słabo różowego zabarwienia.

Niezależnie od tego, jaką glebę analizowaliśmy, wyniki podstawiamy do jednego wzoru, który różni się tylko przelicznikiem (p):

S = (X cm³ HCl ∗ n₁ - Y cm³ NaOH ∗ n₂ ) ∗ p

gdzie:

X - ilość przesączu pobrana do miareczkowania

n₁ - normalność HCl zużytego do miareczkowania,

n₂ - normalność NaOH zużytego do miareczkowania,

Y - ilość NaOH zużytego do zmiareczkowania przesączu,

p - przeliczenie na 100g gleby.

Przelicznik (p) dla gleb mineralnych wyznacza się następująco:

30 g gleby odpowiada 150 cm³ HCl, do analizy pobiera się 50 cm³, co odpowiada 10 g gleby.

Ponieważ wynik podajemy w milirównoważnikach na 100 g gleby, dlatego całość należy pomnożyć przez 100/10=10 (p=10).

Przelicznik (p) dla torfów liczymy następująco:

20 g torfu odpowiada 100 cm³ HCl do analizy pobiera się 50 cm³, co odpowiada 10 g gleby.

Ponieważ wynik podajemy w milirównoważnikach na 100 g gleby, dlatego całość należy pomnożyć przez 100/10=10 (p=10).

To, że w tym przykładzie przeliczniki otrzymaliśmy takie same to przypadek i nie należy się tym sugerować.

3. Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej - H_h

Kwasowość hydrolityczną charakteryzują jony wodorowe znajdujące się w roztworze glebowym oraz jony wodorowe wyparte z kompleksu sorpcyjnego za pomocą soli hydrolizujących o odczynie zasadowym np.: (CH₃COO)₂Ca.

3a. Wykonanie oznaczenia dla gleb mineralnych:

Do kolby stożkowej o pojemności 500 cm³ odważyć 60 g gleby powietrznie suchej przesianej przez sito o średnicy oczek 1mm i zalać 150 cm³ 1n Ca(CH₃COO)₂, próbkę wytrząsać przez godzinę. Następnie sączyć, a z przesączu pobrać dwa razy po 50 cm³. Obie próby miareczkować wobec fenoloftaleiny roztworem 0,1n NaOH do pojawienia się słabo różowego zabarwienia.

II.3b. Wykonanie oznaczenia dla torfów:

Do kolby stożkowej na 300-500 cm³ odważyć 40 g wilgotnego torfu i zalać 100 cm³ 1n Ca(CH₃COO)₂, próbkę wytrząsać przez 1 godzinę. Następnie sączyć, a z przesączu pobrać 25 cm3 i miareczkować wobec fenoloftaleiny roztworem 0,1n NaOH do pojawienia się słabo różowego zabarwienia.

Wyniki z obu oznaczeń podstawiamy do poniższego wzoru pamiętając o przelicznikach:

Hh = X cm3 NaOH ∗ n ∗ q ∗ 1,5

gdzie:

X - liczba cm³ NaOH zużytego do zmiareczkowania przesączu,

n - normalność NaOH zużytego do miareczkowania,

1,5 - stały współczynnik - poprawka na niepełne wyparcie jonów wodorowych przy

jednorazowym traktowaniu gleby roztworem 1n Ca(CH₃COO)₂.

q - przeliczenie na 100g gleby.

Przelicznik (q) dla gleb mineralnych obliczamy następująco:

60 g gleby odpowiada 150 cm³ 1n Ca(CH₃COO)₂ 50 cm³ przesączu pobranego do analizy odpowiada 20 g gleby. Ponieważ wynik podajemy w milirównoważnikach na 100 g gleby, dlatego całość należy pomnożyć przez 100/20=5 (q=5)

Przelicznik (q) dla torfów wyznaczamy w następująco sposób:

40 g torfu odpowiada 100 cm³ 1n Ca(CH₃COO)₂. Do analizy pobiera się 25 cm³ co odpowiada 10 g gleby. Ponieważ wynik podajemy w milirównoważnikach na 100 g gleby, dlatego całość należy pomnożyć przez 100/10=10 (q=10)

II.4. Wyznaczanie pojemności sorpcyjnej gleb w stosunku do kationów - T.

Pojemność sorpcyjną gleb można oznaczyć określając sumę zasadowych kationów wymiennych i ilość zasorbowanego wodoru (kwasowość hydrolityczna) i podstawiając te wartości do wzoru:

T=S+H_h

gdzie:

T - pojemność sorpcyjna,

S - suma zasadowych kationów wymiennych,

H_h - ilość zasorbowanego wodoru (kwasowość hydrolityczna).

Wartość pojemności sorpcyjnej dla danej gleby i dla danego poziomu genetycznego jest w przybliżeniu stała tak długo jak długo nie nastąpi ilościowa lub jakościowa zmiana kompleksu sorpcyjnego gleby. Zmienny jest stosunek S:H. Znajomość % udziału kationów zasadowych i wodorowych w kompleksie sorpcyjnym ma teoretyczne i praktyczne znaczenie. Gleba, w której oznaczymy nadmiar wodoru wymaga wapnowania dla zneutralizowania kwaśnego odczynu wywołanego nadmierną obecnością wodoru. Procentową zawartość wodoru i kationów wymiennych w kompleksie sorpcyjnym gleb oznaczamy w sposób następujący:

%Vs - procentowe wysycenie kompleksu sorpcyjnego badanej gleby zasadowymi kationami wymiennymi,

T - pojemność sorpcyjna,

S - suma zasadowych kationów wymiennych,

%Vh - procentowy udział wodoru w kompleksie sorpcyjnym gleby,

T - pojemność sorpcyjna,

H_h - kwasowość hydrolityczna.

II.5. Obliczanie potrzeb wapnowania gleb

Każda roślina do życia i prawidłowego rozwoju potrzebuje między innymi odpowiedniego odczynu glebowego. Zapewnić to możemy stosując wapnowanie, po uprzednim oznaczeniu ilości wodoru zawartego w roztworze glebowym i w kompleksie sorpcyjnym danej gleby. Wykonanie oznaczenia kwasowości hydrolitycznej daje najbardziej miarodajną zawartość jonów wodorowych do ustalenia dawki wapna potrzebnego do zwapnowania gleby

Znając wartość kwasowości hydrolitycznej danej gleby, możemy obliczyć ilość tlenku wapnia - CaO lub węglanu wapnia - CaCO₃, która będzie potrzebna do całkowitej neutralizacji jonów wodoru na obszarze 1 ha.

gdzie :

Hh - kwasowość hydrolityczna,

10 - przeliczenie ilości wodoru ze 100 g na 1kg gleby,

3.000.000 - waga gleby w kg na obszarze 1ha do głębokości 20 cm, przy założeniu, że gęstość gleby wynosi 1,5 g/cm³

0,028 - przeliczenie milirównoważników wodoru na gramy CaO,

0,05 - przeliczenie milirównoważników wodoru na gramy CaCO₃,

1000 - zamiana gramów na kilogramy,

100 - zamiana kilogramów na decytony.

Oznaczanie zawartości węglanów w glebach.

1. Wiadomości ogólne

W glebach naszego klimatu występują przede wszystkim węglan wapnia (CaCO₃) oraz w mniejszych ilościach węglan magnezu (MgCO₃) i żelaza (FeCO₃). Ze względu na znaczną ilościową przewagę wapnia nad magnezem i żelazem wyniki przelicza się na procentową zawartość CaCO₃.

Węglany, jako związki łatwo rozpuszczające się w wodzie, zwłaszcza zakwaszonej obecnym w niej dwutlenkiem węgla, ulegają stopniowemu przemieszczeniu do głębszych poziomów glebowych.

W większości gleb w naszym kraju, które powstały z utworów polodowcowych węglany można spotkać tylko w głębszych poziomach, leżących poniżej 80-120 cm. Niewielkie ilości węglanów można wykryć w powierzchniowych warstwach takich gleb jak: czarne ziemie, czarnoziemy, gleby brunatne właściwe i pararędziny. Większość masy glebowej węglany mogą stanowić np. w rędzinach.

Węglan wapnia wpływa na fizyczne, chemiczne i biologiczne właściwości gleby. Jony wapnia (Ca²⁺) powodują koagulację koloidów glebowych sprzyjając tworzeniu się struktury gruzełkowatej. Tworzenie struktury gruzełkowatej poprawia przepuszczalność gleb, ich właściwości wodne, powietrzne i termiczne, zwiększając aktywność biologiczną gleb oraz uruchamianie zawartych w glebach składników pokarmowych. Węglan wapnia sprzyja tworzeniu się “słodkiej próchnicy” (jest to próchnica wysycona jonami Ca²⁺ i Mg²⁺), a także przyczynia się do odkwaszenia gleb. W przypadku nadmiernej ilości węglanu wapnia i niesprzyjających warunków wodno-powietrznych (oglejenie) struktura gleby i jej przepuszczalność ulegają pogorszeniu.

Ilość węglanów odgrywa dużą rolę przy ustalaniu rozstawy drenów. Przy zawartości CaCO₃
5-10% rozstawę drenów zwiększamy od 0 do 10%, a przy zawartości 10-20% CaCO₃ - od 10 do 15% rozstawy zaprojektowanej głównie na podstawie składu mechanicznego gleby.

2. Określanie ilości węglanów

Obecność węglanów w glebie lub ich brak można wykryć traktując glebę kwasem solnym i obserwując reakcję wydzielającego się CO₂:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂

Ilość wydzielającego się CO₂ pozwala wyliczyć zawartość CaCO₃. Jest to metoda prosta i szybka należy do grupy metod objętościowych. Do tego rodzaju metod należą metoda Passona i metoda Scheiblera.

Do wstępnego określenia zawartości węglanów w glebach służy metoda orientacyjna (polowa). Polega ona na wysypaniu na szkiełko zegarkowe około 1g gleby i zadaniu kilku kropel 10-proc. HCl. Obecność węglanów przejawia się burzeniem. Intensywność burzenia pozwala na przybliżone określenie zawartości CaCO₃ i naważki gleby, którą użyje się do właściwej analizy.

Objawy reakcji z 10-proc. HCl	Zawartość CaCO3 w %	Naważka gleby do aparatu Passona w g.
Brak burzenia	< 1	20
Słabe nietrwałe burzenie	1 - 2	10
Wyraźne nietrwałe burzenie	2 - 5	5
Silne długotrwałe burzenie	> 5	1 - 2

3. Oznaczanie zawartości węglanów metodą Passona

Aparat Passona to U-rurka, której lewe ramię jest zaopatrzone w podziałkę określającą zawartość węglanów w procentach. Lewe ramię łączy się za pomocą węża z naczynkiem szklanym zamocowanym w korku słoika. U-rurka jest zaopatrzona w odpływ.

U-rurkę napełniamy wodą wodociągową do poziomu 0.0 na skali, następnie wsypujemy naważkę gleby wyznaczoną przy pomocy metody orientacyjnej do słoika, a do naczynka wlewamy kwas solny i zamykamy korek. Wylewamy kwas z naczynka do słoika i mieszamy aż burzenie zaniknie. Odczytujemy wynik ze skali i jeżeli naważka gleby była mniejsza niż 20 g. to otrzymany wynik przeliczamy na 20 g. gleby. Otrzymana wartość to ilość węglanu wapnia w badanej glebie.

4. Oznaczanie zawartości węglanów metodą Scheiblera

Jest oparta na tej samej zasadzie, co metoda Passona. Jest jednak dokładniejsza, ponieważ uwzględnia temperaturę i ciśnienie atmosferyczne panujące w czasie pomiaru.

Aparat Scheiblera jest zbudowany z dwóch rurek szklanych, z których jedna jest zbiornikiem na wydzielający się CO₂ podczas oznaczania CaCO₃. Jest ona połączona ze zbiorniczkiem na kwas w słoiku, do którego wsypujemy glebę podczas wykonywania oznaczenia. Druga rurka jest zaopatrzona w podziałkę określającą ilość wydzielonego CO₂ w cm³ i zawiera roztwór nie sorbujacy CO₂ (np. CuSO₄). Jest ona połączona ze zbiornikiem wyrównawczym, pozwalającym wyzerować aparat przed każdym pomiarem.

Wykonując oznaczenia najpierw zerujemy aparat potem wsypujemy glebę do słoika, a kwas wlewamy do zbiorniczka i zamykamy szczelnie korkiem. Kwas przelany do gleby powoduje wydzielanie CO₂ na co wskazuje burzenie, a także obniżający się poziom roztworu w wyskalowanej rurce. Po odczytaniu ilości wydzielonego CO₂ obliczamy procentową zawartość CaCO₃ korzystając z wzoru:

gdzie:

Vt - objętość wydzielonego CO₂,

w - współczynnik odczytany z tablicy, biorący pod uwagę temperaturę i ciśnienie panujące

w czasie pomiaru,

100 - przeliczenie na procenty,

a - naważka gleby,

1000 - zamiana gramów na miligramy, gdyż współczynnik odczytany z tablicy jest podany

w miligramach.

Masa CaCO₃ w mg/cm³ wywiązującego się CO₂ w danej temperaturze i ciśnieniu

(wg Scheiblera)

Temperatura		742	744,5	747	749	751	753,5	756	758	760	762,5	763	767	769	771	774	Ciśnienie w mm Hg
*C	K	989	992,3	995,7	998,3	1001	1004,8	1007,7	1010,3	1013	1016,3	1017	1022,3	1025	1027,7	1031,7	w hPa
23	296	4,111	4,126	4,141	4,156	4,171	4,186	4,200	4,214	4,226	4,237	4,248	4,259	4,270	4,281	4,292
22	295	4,125	4,140	4,155	4,170	4,185	4,200	4,214	4,229	4,240	4,252	4,263	4,274	4,285	4,296	4,407
21	294	4,139	4,154	4,169	4,184	4,199	4,214	4,229	4,243	4,255	4,267	4,279	4,290	4,301	4,312	4,422
20	293	4,153	4,169	4,184	4,199	4,214	4,229	4,243	4,258	4,269	4,281	4,292	4,303	4,314	4,325	4,436
19	292	4,168	4,189	4,198	4,213	4,288	4,243	4,258	4,272	4,284	4,296	4,307	4,318	4,329	4,340	4,451
18	291	4,182	4,198	4,213	4,228	4,243	4,258	4,272	4,286	4,298	4, 310	4,321	4,332	4,343	4,354	4,465
17	290	4,197	4,212	4,227	4,242	4,257	4,272	4,286	4,300	4,312	4, 324	4,335	4,346	4,375	4,368	4,479
16	289	4,212	4,226	4,241	4,256	4,271	4,286	4,300	4,314	4,326	4, 338	4,349	4,360	4,371	4,380	4,493

---