ZALEŻNOŚCI MIĘDZY WYBRANYMI WŁAŚCIWOŚCIAMI GLEB I POJEMNOŚCIĄ BUFOROWĄ W GLEBACH UPRAWNYCH REGIONU KUJAW I POMORZA*

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAW CZE TOM LIX NR 1 WARSZAWA 2008: PIOTR MALCZYK, MIROSŁAW KOBIERSKI, HANNA JAWORSKA, HALINA DĄBKOWSKA-NASKRĘT ZALEŻNOŚCI MIĘDZY WYBRANYMI WŁAŚCIWOŚCIAMI GLEB I POJEMNOŚCIĄ BUFOROWĄ W GLEBACH UPRAWNYCH REGIONU KUJAW I POMORZA* RELATIONSHIPS BETWEEN SELECTED SOIL PROPERTIES AND BUFFER CAPACITY IN ARABLE SOILS FROM KUJAWY-POMORZE REGION, POLAND Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb, UTP Bydgoszcz Abstract: The soil buffer capacity was studied for eight typical soil profiles, representing arable soils from the K ujaw y-pom orze region (Cambisols, Luvisols and Phaeozem s derived from glacial till). A nalyzed soils differed in typology, have also different physico-chem ical properties and buffer capacity. It w as found that the studied soils o f K ujaw y-pom orze region belong mainly to strongly buffered soils and their acid-buffering ability is higher than base-buffer one. Sam ples from horizons that contain calcium carbonate, have had the highest buffer capacity against H+ ions and much sm aller against OH'. The results o f the study indicate that the buffer areas are significantly correlated w ith ph, hydrolytic acidity, content o f C a C 0 3, sum o f exchangeable bases and cation exchangeable capacity. Słowa kluczowe: w łaściw ości buforow e gleb, gleby płowe, gleby brunatne, czarne ziemie. Key w ords: buffer properties o f soils, Luvisols, Cambisols, Phaeozem s. WSTĘP Buforowość gleby definiowana i rozumiana jest jako jej zdolność do utrzymywania stałego poziomu ph podczas oddziaływania na nią czynników zakwaszających lub alkalizujących. Gleba rozpatrywana jako mieszanina układów buforowych zawiera składniki, które mają zdolność neutralizowania kwasów przez wiązanie H~, a także neutralizowania zasad wskutek uwalniania protonów [Bednarek i in. 2004; Hombeck, Federer 1985; Pokojska 1992]. Skuteczność funkcjonowania glebowych układów buforowych zależy od wielu właściwości fizycznych, chemicznych oraz biologicznych gleb. Właściwości buforowe gleb związane są z reakcjami rozpuszczania C ac 03 przez kwas węglowy lub jego całkowity rozkład przez silne kwasy, z wietrzeniem pierwotnych krzemianów, w wyniku *Część w yników badań była finansow ana z grantu KBN nr 0700/P06/2003/25.

2 150 P. Malczyk, M. Kobierski, H. Jaworska, H. Dąbkowska-Naskręt którego uwalniane zostają kationy zasadowe, wymianą jonową w wyniku adsorpcji jonów wodorowych przez organiczne i mineralne składniki kompleksu sorpcyjnego, reakcjami wiązania jonów H+ przez fragmenty sieci krystalicznych minerałów ilastych, z połączeniami hydroksyglinowymi oraz uwodnionymi tlenkami glinu, reakcjami rozpuszczania tlenków i wodorotlenków żelaza, w wyniku których bufor żelazowy neutralizuje jony H+ [Ulrich 1981, 1983]. Reakcje buforowania z uwalnianiem lub wiązaniem protonów zachodzą w glebach również w procesach mineralizacji materii organicznej, mineralizacji i nitryfikacji azotu organicznego, mineralizacji i utlenianiu siarki organicznej, mineralizacji fosforu organicznego, kompleksowania i uwalniania jonów metali z kompleksów i wielu innych [van Breemen, Mulder, Driscoll 1983]. Wyniki badań właściwości buforowych gleb wskazują, że właściwości fizykochemiczne poziomów genetycznych tworzących profile spełniają istotną rolę w buforowaniu zasad i kwasów [Adamczyk i in. 1983; Jaworska i in. 2005; Malczyk 1998; Nätscher, Schwertmann 1991; Ostrowska, Porębska 1993; Pokojska 1986, 1992; Prusinkiewicz i in. 1992; Skwaryło-Bednarz 2001]. Znajomość właściwości buforowych gleb ma duże znaczenie w aspekcie oceny wpływu oddziaływania czynników degradujących i prognozowania stopnia degradacji środowiska glebowego [Baran 1995; Bednarek i in. 2004; Jaworska i in. 2005; Skwaryło-Bednarz 2001]. Podjęte badania miały na celu ocenę właściwości buforowych wybranych profili gleb uprawnych pochodzących z regionu Kujawsko-Pomorskiego, zróżnicowanych typologicznie (gleby brunatne, płowe i czarne ziemie wytworzone z gliny polodowcowej) i pod względem właściwości fizykochemicznych. MATERIAŁ I METODY Do badań pobrano próbki z ośmiu profili gleb uprawnych z regionu Kujaw i Pomorza, należących wg Systematyki gleb Polski [1989] do typu gleb płowych, brunatnych i czarnych ziem (Luvisols, Cambisols, Phaeozems), wytworzonych z gliny polodowcowej: profil 1 - gleba brunatna typowa, profil 2 - czarna ziemia murszasta, profil 3 - gleba płowa typowa, mezoregion Pojezierze Gnieźnieńskie (315.54), miejscowość Wójcin; profil 4 i 5 - gleby płowe typowe, mezoregion Pojezierze Dobrzyńskie (315.14), miejscowości Glewo i Dyblin; profil 6 i 7 - gleby płowe ogłowione, mezoregion Pojezierze Krajeńskie (314.69), miejscowości Smielin i Strzelewo; profil 8 - gleba płowa ogłowiona, mezoregion Pojezierze Chełmińskie (315.11), miejscowość Blizinko. Próbki pobrano z wszystkich rozpoznanych morfologicznie poziomów genetycznych, następnie wysuszono do stanu powietrznie suchego, roztarto i przesiano przez sito 0 średnicy oczka 2 mm. Podstawowe właściwości gleb oznaczono standardowymi metodami stosowanymi w gleboznawstwie [Mocek, Drzymała, Maszner 2000]. Właściwości buforow e gleb oznaczono zm odyfikow aną w K atedrze G leboznaw stw a 1Ochrony Gleb UTP w Bydgoszczy metodą Arrheniusa [Ostrowska i in. 1991]. Krzywe buforowe, wielkość powierzchni zbuforowania w zakresie zasadowym (Pfl ) i kwasowym (Pf2) oraz ilorazy Pfl:Pf2 wykreślono i obliczono za pomocą programu komputerowego BUFFER AREA, opracowanego w Katedrze Gleboznawstwa i Ochrony Gleb UTP w Bydgoszczy [Malczyk 2005]. Z wykorzystaniem programu komputerowego Statistica 6.0 PL, wykonano obliczenia współczynników korelacji pomiędzy wielkościami powierzchni zbuforowania w zakresie zasadowym (Pfl) i kwasowym (Pt2) a zawartością frakcji ilastej, ph w H90, ph w 1 M KC1, kwasowością hydrolityczną, zawartością węgla organicznego i CaCO,, sumą zasadowych kationów wymiennych oraz kationową pojemnością sorpcyjną.

3 Zależność wybranych właściwości od pojemności buforowej gleb uprawnych 151 WYNIKI I DYSKUSJA Analiza właściwości buforowych badanych gleb oparta została na wielkości powierzchni buforowania w zakresie alkalicznym (Pfl) i w zakresie kwasowym (Pf2) oraz na podstawie wyliczonych wielkości stosunku Pfl: PfZ. Wyniki badań przedstawione w tabeli 1 wskazują, że właściwości buforowe poszczególnych poziomów genetycznych oraz profili glebowych są zróżnicowane. Wielkość powierzchni zbuforowania w zakresie zasadowym mieści się w przedziale od 8,80 do 31,39 cm2, a w zakresie kwasowym od 8,95 do 50,06 cm2. Wyliczone zaś stosunki Pfl: Pf2 obejmują przedział od 0,19 do 2,66. Stwierdzono dla większości analizowanych poziomów genetycznych, że wyznaczone pow ierzchnie zbuforow ania w zakresie kwasowym są większe od pow ierzchni zbuforowania w zakresie zasadowym. W ujęciu profilowym dotyczy to całych pedonów 4,6 i 8. Największą odpornością na zakwaszenie odznaczają się poziomy skały macierzystej wszystkich profili glebowych. Świadczy to o znacznej zdolności tych gleb do neutralizacji kwasów i niewielkiej do neutralizacji zasad. Próbki z poziomów: Ap i Bbr gleby brunatnej typowej, Ae czarnej ziemi murszastej, Ap i Eetg (profil 5) i Eet i Bt2 (profil 3) gleb płowych typowych oraz z poziomów Ap i Btl gleby płowej ogłowionej (profil 7) wyróżniają się na tle pozostałych większymi powierzchniami zbuforowania w zakresie zasadowym, co przekłada się na wartości stosunku Pfl: Pf2 (tab. 1). Poszukując zależności między wielkościami powierzchni zbuforowania w zakresie zasadowym i kwasowym a właściwościami fizykochemicznymi próbek glebowych mogącymi istotnie wpływać na ich buforowość, obliczono współczynniki korelacji liniowej Pearsona (r ). Korelację bardzo wysoką stwierdzono pomiędzy zawartością węglanu wapnia w gfebach a wielkościami powierzchni zbuforowania w zakresie kwasowym r =0,7528. Wynika z tego, że naturalnie występujący w badanych glebach węglan wapnia jest układem buforowym, skutecznie zwiększającym ich odporność na zakwaszenie. Związane to jest z reakcjami rozpuszczania C ac 03. Bufor węglanowy utrzymuje odczyn gleby w przedziale 6,2-8,0 [Ulrich 1981, 1983], co ma miejsce w badanych glebach. W czarnych ziemiach Wysoczyzny Kujawskiej, wytworzonych z gliny polodowcowej oraz w glebach Roztoczańskiego Parku Narodowego i jego otuliny, zawierających węglan wapnia, stwierdzono także zwiększoną odporność tych gleb na zakwaszenie [Jaworska i in. 2005; Skwaryło-Bednarz 2001]. Równie odporne stają się uprawne gleby lekkie wapnowane i nawożone nawozami fosforowymi [Łabętowicz i in. 1998]. W glebach węglanowych obserwuje się duży udział kationów zasadowych, które spełniają ważną rolę w neutralizacji kwasów [Bednarek i in. 2004; Łabętowicz i in. 1998; Pokojska 1992; Skwaryło-Bednarz 2001]. Dla badanych gleb znalazło to potwierdzenie w zależnościach korelacyjnych. Stwierdzono wysoką korelację między wielkościami Pf2 a sumą zasadowych kationów wymiennych r =0,5206 i przeciętną z kationową pojemnością sorpcyjną r =0,4879 oraz wysokie ujemne korelacje z kwasowością hydrolityczną r = -0,5542, stężeniem jonów wodorowych odpowiadającym kwasowości wymiennej r = -0,5602 i kwasowości czynnej r = -0,5015. Z powyższego wynika, że pula wymiennych zasad w badanych glebach uprawnych (7,96-37,42 cmol(+) kg-1) jest na tyle wysoka, iż pozwala na szybką neutralizację jonów wodorowych w przypadku ich dużego dopływu. Próchnica i minerały ilaste funkcjonują w glebie jako ważny układ buforowy. Im większą pojemność sorpcyjną wykazują koloidy, tym większą zdolnością buforowania odznacza się gleba. Zdolność koloidów glebowych do przeciwdziałania alkalizacji polega głównie na możliwości systematycznego uwalniania protonów. Gdy odczyn gleb jest kwaśny, wówczas jony wymienne wodoru są związane przez ładunki trwałe minerałów ilastych i

4 152 P Malczyk, M. Kobierski, H. Jaworska, H. Dąbkowska-Naskręt TABELA 1. W łaściwości fizykochemiczne badanych gleb TABLE 1. Physicochemical properties o f the investigated soils Profil Profile Poziom genet. Genetic Horizon M iąższ. Depth ph С org. Hh TEB CEC C a C 0 3 % frak. % o f fract. with dia < mm Pow. zbuforowania Buffering areas [cm2] cm H20 KC1 g 'k g ' cm ol(+) kg 1 g -kg 1 Pfl Pf2 Pfl Pf2 1 Ap ,41 6,02 15,26 1,23 8,56 9, ,15 16,57 1,22 Bbr ,63 6,20 1,14 1,05 8,33 9, ,91 19,88 1,15 C ca ,95 7,38 0, ,26 14,26 61, ,04 34,90 0,55 2 Ac ,52 7,12 56, ,59 13,59 36,5 7 24,38 21,85 1,12 С lea ,73 7,52 1, ,38 16,38 72,6 3 21,94 24,89 0,88 2cagg ,66 7,41 0, ,54 12,54 60,4 2 23,80 27,11 0,88 Gcagg ,23 8,05 0, ,96 18,96 113, ,39 46,58 0,67 3 Ap ,77 6,53 19, ,29 10,29 10,4 6 16,62 17,76 0,94 Ect ,41 6,15 6,88 1,69 7,96 9, ,59 8,95 1,29 Btl ,35 6,11 1,53 1,42 8,15 9, ,93 16,36 0,85 Bt ,17 6,05 0,45 1,73 8,69 10, ,07 19,77 1,17 Cgg ,11 5,95 0,03 2,11 10,11 12, ,84 27,19 0,91 4 Ap ,24 7,03 10,00 0,57 21,66 22, ,67 22,93 0,68 Eet ,51 7,14 1,85 0,38 13,63 14, ,00 11,75 0,94 IIBt ,35 6,30 1,50 0,77 24,51 25, ,63 18,42 0,96 IIC 1ca ,95 7,46 0 0,68 23,85 24,53 38, ,11 47,52 0,23 IIC2ca ,93 7,59 0 0,65 37,42 38,07 42,0 13 9,38 47,71 0,20 5 Ap ,21 5,80 12,98 0,79 11,81 12, ,62 10,75 2,66 Ectg ,84 6,44 1,74 0,64 10,13 10, ,00 8,70 1,61 IIBtg ,07 7,21 1,19 0,27 27,19 27, ,02 18,47 0,87 H C lcag ,48 7,87 0 0,15 29,25 29,40 35, ,78 49,50 0,22 IIC2ca ,48 7,85 0 0,13 32,00 32,13 44, ,19 49,76 0,22 6 Ap ,45 7,00 10,53 0,41 18,07 18,48 1, ,73 33,15 0,47 Btl ,51 6,72 3,28 0,56 18,05 18, ,75 24,25 0,61 Bt ,11 6,42 0,78 0,79 15,92 16, ,57 23,14 0,63 С lea ,81 7,12 0 0,08 15,78 15,86 81, ,15 48,63 0,21 C2ca ,00 7,19 0 0,05 15,56 15,61 65,1 13 9,47 48,24 0,20 7 Ap ,40 5,65 9,92 1,46 11,30 12, ,58 14,64 1,61 Btl ,76 6,00 3,37 0,90 14,17 15, ,73 16,47 1,14 Bt ,88 6,88 0,73 0,56 16,98 17, ,04 26,88 0,45 С lea ,09 7,21 0 0,03 13,93 13,96 79,5 15 7,94 46,81 0,17 C2ca ,04 7,20 0 0,03 12,12 12,15 82,9 14 8,80 47,08 0,19 81 Ap ,14 6,62 8,57 0,88 13,66 14, ,41 20,24 0,91 Btl ,19 6,46 2,10 1,05 16,06 17, ,01 19,47 0,89 Bt ,62 7,01 0,78 0,36 19,10 19, ,18 45,70 0,29 С lea ,79 7,22 0 0,04 16,97 17,01 104, ,15 49,86 0,20 C2ca ,24 0 0,04 16,96 17,00 109,9 14 9,51 50,06 0,19 Hh - Kwasowość hydrolityczna - Hydrolytic acidity; TEB - Suma zasadowych kationów wymiennych - Sum o f exchangeable bases; CEC - Kationowa pojemność sorpcyjna - Cation exchange capacity

5 Zależność wybranych właściwości od pojemności buforowej gleb uprawnych 153 przez próchnicę. Po zmianie odczynu na obojętny lub zasadowy związany wodór ulega jonizacji i przechodzi w formę wymienną [Jaworska i in. 2005; Malczyk 1998; Pokojska 1986, 1992]. Interesujący jest wobec powyższego fakt, że w odniesieniu do badanych gleb, nie stwierdzono istotnych statystycznie korelacji pomiędzy zawartością węgla organicznego i zawartością frakcji ilastej a wielkościami powierzchni zbuforowania Pfl i Pf2. Natomiast pomiędzy kationową pojemnością sorpcyjną a wielkością powierzchni zbuforowania w zakresie kwasowym odnotowano korelację przeciętną r =0,4879. Oznacza to, że koloidy glebowe, które kształtują wielkość kationowej pojemności są układem buforowym zwiększającym odporność badanych gleb na zakwaszenie. WNIOSKI 1. Gleby wytypowane do badań, pochodzące z regionu Kujaw i Pomorza, różnią się między sobą przynależnością typologiczną i wykazują zróżnicowanie właściwości fizykochemiczne. 2. Przeprowadzone badania wykazały, że wielkości powierzchni zbuforowania były skorelowane z kwasowością czynną, wymienną i hydrolityczną, zawartością C ac 03, sumą zasadowych kationów wymiennych i kationową pojemnością wymienną. 3. Naturalnie występujący w badanych glebach węglan wapnia jest układem buforowym, skutecznie zwiększającym ich odporność na zakwaszenie. 4. Zmienność właściwości buforowych cżamych ziem, gleb brunatnych i płowych należy wiązać z niejednakowym rozkładem różnych układów buforowych, wynikającym z odmiennych procesów glebotwórczych je kształtujących. LITERATURA ADAMCZYK B., OLEKSYNOWA K., NIEMYSKA-ŁUKASZUK J., DROŻDŻ-HARA M., MIE- CHÓWKA A., KOZŁOWSKA E., FAJTO A. 1983: Zbuforowanie gleb Puszczy Niepołomickiej. Rocz. Glebozn. 34,4: BARAN S. 1995: Ocena stanu degradacji i rekultywacji gleb. AR, Lublin: BEDNAREK R., DZIADOWIEC H., POKOJSKA U., PRUSINKIEWICZ Z. 2004: Badania ekologiczno-gleboznawcze. PWN, Warszawa: 344 ss. HORNBECK J.W., FEDERER C.A. 1985: Estimating the buffer capacity of forest soils. J. Forestry 83: JAWORSKA H., DĄBKOWSKA-NASKRĘT H., MALCZYK P. 2005: Buffer properties of soils with regard to their vulnerability to degradation. Ecological Chemistry and Engineering 12,3: ŁABĘTOWICZ J., KORC M., SZULC W. 1998: Zmiany odporności gleb lekkich na zakwaszenie w zróżnicowanych warunkach nawozowych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 456: MALCZYK Р. 1998: Właściwości buforowe gleb wybranych ekosystemów leśnych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 456: MALCZYK P. 2005: Program komputerowy BUFFER AREA. UTP, Bydgoszcz. МОСЕК A., DRZYMAŁA S., MASZNER P. 2000: Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. AR, Poznań: 416 ss. NÄTSCHER L., SCHWERTMANN U. 1991: Proton buffering in organie horizons of acid forest soils. Geoderma 48,1/2: OSTROWSKA A., GAWLIŃSKI S., SZCZUBIAŁKA Z. 1991: Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Katalog. IOŚ, Warszawa: OSTROWSKA A., PORĘBSKA G. 1993: Zdolności buforowe gleb i inne ich właściwości na obszarze Stacji Kompleksowego Monitoringu Środowiska Bory Tucholskie. W: Stacja Kompleksowego Monitoringu Środowiska Bory Tucholskie. IOŚ, Warszawa:

6 154 P. Malczyk, М. Kobierski, Н. Jaworska, H. Dąbkowska-Naskręt POKOJSKA U. 1986: Rola próchnicy w kształtowaniu odczynu, właściwości buforowych i pojemności jonowymiennej gleb leśnych. Rocz. Glebozn. 37,2: POKOJSKA U. 1992: Adsorpcja i wymiana kationów w próchnicach leśnych. Rozprawy UMK, Toruń: PRUSINKIEWICZ Z., KWIATKOWSKA A., POKOJSKA U. 1992: Soil organie matter as a factor reducing the harmful effects of acid rain. Folia Forest. Pol., A - Forestry. 33: SKWARYŁO-BEDNARZ B. 2001: Odporność środowiska glebowego na oddziaływanie wybranych czynników chemicznych na przykładzie gleb terenów chronionych i produkcyjnych. Autoreferat pracy doktorskiej. AR, Zamość: 21 ss. SYSTEMATYKA GLEB POLSKI 1989: Rocz. Glebozn. 40,3/4: 47-54, ULRICH B. 1981: Ökologische Gruppierung von Böden nach ihrem chemischen Bodenzustand. Z. Pßanzenernähr. Bodenk. 144,3: ULRICH B. 1983: Soil acidity and its relations to acid deposition. W: Ulrich B., Pankrath J. Effects of accumulation of air pollutants in forest ecosystems. Reidel Publishing Company, Dordrecht: VAN BREEMENN., MULDER J., DRISCOLL C.T. 1983: Acidification and alkalinization of soils. Plant andsoil 15: Dr ini. Piotr Malczyk Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb, UTP ul. Bernardyńska 6, Bydgoszcz malęzy k@utp.edu.pl