ĆWICZENIA LABORATORYJNE GLEBOZNAWSTWO

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ BUDOWNICTWA I INŻYNIERII ŚRODOWISKA KATEDRA OCHRONY I KSZTAŁTOWANIA ŚRODOWISKA ĆWICZENIA LABORATORYJNE GLEBOZNAWSTWO KIERUNEK ARCHITEKTURA KRAJOBRAYU CZEŚĆ PRAKTYCZNA Opracowanie: dr Zofia Tyszkiewicz dr inż. Robert Czubaszek dr inż. Sławomir Roj-Rojewski BIAŁYSTOK 2013 ROK

2 SPIS TREŚCI 1. Cechy morfologiczne gleb Rozpoznawanie utworów glebowych na podstawie procentowej zawartości frakcji glebowych. Graficzne przedstawienie wyników analizy uziarnienia Metody analizy granulometrycznej gleb. Oznaczanie składu granulometrycznego gleby metodą areometryczną Casagrande'a w modyfikacji Prószyńskiego.8 4. Właściwości fizyczne podstawowe gleb. Oznaczanie gęstości właściwej gleb Właściwości wodne gleb: wilgotność gleby, krzywa pf Przepuszczalność wodna gleb. Oznaczanie współczynnika filtracji za pomocą przepuszczalnościomierza laboratoryjnego Odczyn gleb i właściwości buforowe gleb. Oznaczanie ph gleby. Oznaczanie właściwości buforowych gleb metodą Arrheniusa Kompleks sorpcyjny gleby. Kwasowość gleby. Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej metodą Kappena. Oznaczanie zawartości wymiennego glinu i wodoru metodą Sokołowa29 9. Charakterystyka wapnia i magnezu w środowisku glebowym. Przygotowanie wyciągów glebowych do oznaczania metalicznych kationów wymiennych w glebie. Oznaczanie zawartości kationów Ca 2+ i Mg 2+ metodą kompleksometryczną Substancja organiczna gleby. Metody analiz substancji organicznej gleb. Oznaczanie zawartości węgla organicznego metodą Tiurina Azot w środowisku glebowym. Oznaczanie ogólnej zawartości azotu w glebie metodą bezpośredniej nessleryzacji Kartografia gleb. Charakterystyka map glebowo-rolniczych.48 2

3 1. Cechy morfologiczne gleb a. Cel ćwiczenia Zapoznanie się z podstawowymi pojęciami używanymi w gleboznawstwie oraz z cechami morfologicznymi gleby budową profilu glebowego, miąższością, barwą, strukturą gleby i konkrecjami. Zakres ćwiczenia szczegółowe opracowanie problemów dotyczących cech morfologicznych gleby. b. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie składa się z 2 części. W części 1 należy podać symbole otrzymanych w formie opisowej poziomów genetycznych oraz podać nazwy i szczegółowo scharakteryzować poziomy glebowe podane w formie symboli. W części 2 należy w oparciu o informacje uzyskane na zajęciach oraz dostępną literaturę opracować wskazane zagadnienia dotyczące wybranych cech morfologicznych gleb (struktura, układ, konkrecje): 1. Jaka struktura glebowa może powstawać w poziomie próchnicznym rozluźnionym przez orkę, wytworzonym z piasku gliniastego? 2. Jaka struktura glebowa może powstawać w warunkach naturalnych w wierzchnich poziomach glebowych zwróć uwagę na utwór macierzysty. 3. Jaka struktura glebowa jest wynikiem niewłaściwie przeprowadzanych zabiegów uprawowych przez człowieka? 4. Jaka struktura glebowa może powstawać w niższych poziomach genetycznych gleb wytworzonych z utworów gliniastych? 5. Jaka struktura glebowa może powstawać w iłach? 6. Jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na tworzenie się agregatów strukturalnych? 7. Jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na rozpad agregatów strukturalnych? 8. Czy w glebach piaszczystych mogą powstawać agregaty strukturalne? Uzasadnij odpowiedź. 9. Czy w glebach gliniastych mogą powstawać agregaty strukturalne? Uzasadnij odpowiedź. 10. Czy w utworach ilastych mogą powstawać agregaty glebowe? Uzasadnij odpowiedź. 11. W jakich utworach glebowych powstaje struktura foremnowielościenna. Opisz ją. 12. Jakie konkrecje glebowe powstają w zmiennych warunkach wodno-powietrzchnych? 13. Jaki wpływ na tworzenie się wytrąceń żelazistych ma zmienny poziom wody gruntowej? 14. Jakie konkrecje mogą powstawać w utworach piaszczystych? Jakie jest ich znaczenie? 3

4 15. Jakie konkrecje glebowe powstają w utworach gliniastych zasobnych w węglan wapnia? Jaki jest mechanizm ich powstawania? 16. Jaki jest mechanizm powstawania konkrecji żelazisto-manganowych? 17. Jakie konkrecje glebowe mogą towarzyszyć korzeniom roślin. Opisz je. Wyjaśnij jakie są mechanizmy ich powstawania. 18. Jakie konkrecje glebowe mają duże znaczenie próchnicotwórcze? 19. Jakie konkrecje glebowe wykazują toksyczne działanie na korzenie roślin? 20. Wyjaśnij korzystne działanie pseudofibrów żelazistych na korzenie roślin. 21. Jaka struktura jest charakterystyczna dla torfów mechowiskowych? 22. Jaki układ jest charakterystyczny dla gleb o strukturze foremnowielościennej? 23. Jaki układ jest charakterystyczny dla gleb o strukturze gruzełkowej? 24. Jaki układ jest charakterystyczny dla gleb o strukturze spójnej? c. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. d. Literatura Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Mocek A., Drzymała S., Maszner P Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań. Systematyka gleb Polski Roczniki gleboznawcze. Tom LXII. Nr 3. 4

5 2. Rozpoznawanie utworów glebowych na podstawie procentowej zawartości frakcji glebowych. Graficzne przedstawienie wyników analizy uziarnienia a. Cel ćwiczenia Poznanie wiadomości na temat klasyfikacji uziarnienia gleb i utworów mineralnych oraz ich właściwości fizycznych i chemicznych, ze szczególnym uwzględnieniem stosunków wodnopowietrznych i żyzności, a także zdobycie umiejętności rozpoznawania utworów glebowych na podstawie procentowej zawartości frakcji granulometrycznych oraz zapoznanie się z możliwościami przedstawiania wyników analizy granulometrycznej gleby. Zakres ćwiczenia określenie rodzaju otrzymanych do analizy utworów glebowych w oparciu o ich skład granulometryczny, przedstawienie wyników analizy granulometrycznej przy pomocy trójkąta Fereta i krzywej uziarnienia, obliczenie wskaźnika różnoziarnistości, szczegółowy opis właściwości konkretnych utworów glebowych i wskazanie na ich przydatność rolniczą. b. Wprowadzenie do metodyki Wyniki badań granulometrycznych można zestawiać tabelarycznie, można też przedstawiać je graficznie, np. za pomocą krzywej uziarnienia lub trójkąta Fereta. Krzywa uziarnienia Wykres krzywej uziarnienia wykonuje się na specjalnym formularzu. Na osi rzędnej, która ma podziałkę zwykłą, odkłada się procentową zawartość cząstek o określonej średnicy. Natomiast na osi odciętych są odłożone w podziałce logarytmicznej średnice cząstek (mm). Przedstawienie wyników w postaci krzywej uziarnienia ma dużo zalet. Z jej wykresu można odczytać np. zawartość frakcji nie określonych bezpośrednio w czasie pomiarów. Można więc odczytać zawartość cząstek o innych średnicach, niż to wynika z zastosowanej metody oznaczania składu granulometrycznego gleby, co jest potrzebne m.in. do obliczenia współczynnika przepuszczalności gleb. Z kształtu krzywej można również wnioskować o równo- lub różnoziarnstości utworu glebowego. Im bardziej stromo przebiega krzywa uziarnienia, tym bardziej równoziarnisty jest utwór. Liczbowo oceny takiej można dokonać za pomocą wskaźnika różnoziarnistości, którego wartość oblicza się ze wzoru: d W r = d

6 gdzie: d 60 średnica cząstek, których masa wraz z masą wszystkich cząstek mniejszych stanowi 60% masy gleby, d 10 średnica cząstek, których masa wraz z masą wszystkich cząstek mniejszych stanowi 10% masy gleby. Jeżeli Wr 5 to utwór jest równoziarnisty, jeżeli 5<Wr 15 to utwór jest różnoziarnisty, natomiast jeżeli Wr>15 to utwór jest bardzo różnoziarnisty. Trójkąt Fereta Jest to trójkąt równoboczny, którego boki podzielono na 10 równych części. Z punktów podziału boków trójkąta poprowadzono proste równoległe do pozostałych boków. Przy założeniu, że każdy z boków trójkąta równobocznego charakteryzuje zawartość wybranej frakcji (piasku, pyłu lub części spławialnych) w procentach od 0 do 100, każdemu punktowi wewnątrz tego trójkąta można przypisać 3 liczby a, b, c, odpowiadające zawartości każdej z trzech frakcji, przy czym a + b + c = 100. Aby znaleźć punkt wewnątrz trójkąta należy z punktu na jego boku, obrazującego procentową zawartość danej frakcji, poprowadzić prostą równoległą do sąsiedniego boku. Podobnie należy postąpić z pozostałymi bokami trójkąta. Jeżeli natomiast z dowolnego punktu wewnątrz trójkąta poprowadzimy proste równoległe do jego boków to odczytamy, z punktów przecięcia równoległych z bokami, procentową zawartość poszczególnych frakcji. W trójkącie Fereta wyznaczone są grubszymi liniami ciągłymi wartości graniczne procentowej zawartości poszczególnych rodzajów gleb (piaski, gliny, iły, pyły). Natomiast liniami przerywanymi oznaczono gatunki gleb (piaski luźne, gliniaste itd.). W ten sposób wyznaczone części pola trójkąta, które charakteryzują skład granulometryczny poszczególnych grup mechanicznych gleb. c. Przebieg ćwiczenia Na podstawie otrzymanych w formie tabeli danych dotyczących procentowej zawartość poszczególnych frakcji granulometrycznych należy rozpoznać utwory glebowy, zaznaczyć wybrane utwory w trójkącie Fereta, wykreślić dla nich krzywe uziarnienia na otrzymanych podkładach, obliczyć wskaźniki różnoziarnistości oraz zinterpretować otrzymane wartości. d. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, 6

7 - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. e. Literatura Białousz S., Skłodowski P Ćwiczenia z gleboznawstwa i ochrony gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa. Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Mocek A., Drzymała S., Maszner P Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań. Ostrowska A., Gawliński S., Szczubiałka Z Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa. Turski R., Słowińska-Jurkiewicz A., Hetman J Zarys gleboznawstwa. Podręcznik dla studentów wydziałów ogrodniczych. Wyd. Akademii Rolniczej. Lublin. Uggla H Gleboznawstwo rolnicze. PWN. Warszawa. 7

8 3. Metody analizy granulometrycznej gleb. Oznaczanie składu granulometrycznego gleby metodą areometryczną Casagrande'a w modyfikacji Prószyńskiego a. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Poznanie metod analizy granulometrycznej gleb, ze szczególnym naciskiem na metodę areometryczną. Zakres ćwiczenia Analiza granulometryczna otrzymanej próby glebowej z wykorzystaniem metody areometrycznej Casagrande a w modyfikacji Prószyńskiego, rozpoznanie badanego utworu glebowego na podstawie uzyskanej zawartości poszczególnych frakcji granulometrycznych oraz wnioskowanie na temat jego właściwości. b. Wprowadzenie do metodyki Metody oznaczania składu granulometrycznego gleb Analiza składu granulometrycznego gleb polega na rozdzieleniu materiału mineralnego na poszczególne frakcje granulometryczne. Podstawową czynnością jest oddzielenie części ziemistych gleby (tj. frakcji piasku, pyłu i iłu) od części szkieletowych (tj. kamieni i żwiru). W tym celu powietrznie suchą glebę należy rozetrzeć w porcelanowym moździerzu drewnianym lub porcelanowym tłuczkiem. Należy uważać by nie rozetrzeć poszczególnych frakcji gleby, bo wtedy w sztuczny sposób zwiększa się procentową zawartość frakcji drobnych. Następnie roztartą glebę przesiewa się przez sito o średnicy oczek 1 mm. Przez sito przechodzą części ziemiste gleby, które dalej poddaje się analizie mechanicznej. Na sicie pozostają części szkieletowe, które po przemyciu i wysuszeniu można rozdzielić na kamienie i żwir. Pełna analiza składu granulometrycznego gleby obejmuje oznaczenie zawartości części pyłowych oraz części spławialnych, wykonywane najczęściej metodami sedymentacyjnymi, a także oznaczenie zawartości piasku, wykonywane zwykle na sitach (analiza sitowa). Cząstki mineralne gleby występują przeważnie pod postacią skupień (agregatów). Dlatego próbki gleby do analizy składu mechanicznego należy zdyspergować, czyli doprowadzić do rozpadu agregatów na elementarne ziarna glebowe (frakcje granulometryczne). W tym celu próby glebowe poddaje się gotowaniu z dodatkiem środka peptyzującego, są nimi najczęściej: NaOH, Na 2 CO 3, Na 4 P 2 O 7 oraz calgon, czyli mieszanina stopionego metafosforanu sodu z węglanem sodu. Jeśli próba glebowa preparowana byłaby jedynie w wodzie destylowanej to nastąpiłby jedynie częściowy rozpad agregatów glebowych na frakcje granulometryczne. Przy dokładnych i szczegółowych badaniach próbkę glebową 8

9 należy dodatkowo preparować chemicznie, spalając próchnicę za pomocą wody utlenionej oraz usuwając węglan wapnia za pomocą kwasu solnego. Podział metod analizy składu granulometrycznego gleby: metody sitowe, metody sedymentacyjne, metody przepływowe, metody odwirowania. Metody sitowe Analiza sitowa służy głównie do oddzielenia części szkieletowych gleby od części ziemistych, co pozwala na określenie ich procentowej zawartości w glebie. Służy również do oznaczenia zawartości poszczególnych frakcji piasku występujących w częściach ziemistych gleby. W tym drugim przypadku analiza sitowa jest uzupełnieniem innych metod, głównie sedymentacyjnych, służących do oznaczenia zawartości frakcji pyłowych i części spławialnych. Poniżej zaprezentowany jest sposób wykonania analizy sitowej jako uzupełniającej metody sedymentacyjne. Metoda odwirowania Metoda ta jest przeważnie stosowana do wydzielenia i oznaczenia zawartości najdrobniejszych cząstek glebowych (głównie frakcji koloidalnych). Jej zasadniczą zaletą jest istotne skrócenie czasu osiadania tych frakcji w porównaniu z metodami sedymentacyjnymi. Wyróżnia się w niej następujące etapy: - zdyspergowanie próbek gleby, np. przez mieszanie z calgonem, - odwirowanie zawiesiny w określonych warunkach wirowania, - zdekantowanie zawiesiny oznaczanej frakcji, - zważenie masy danej frakcji po odparowaniu wody i wysuszeniu w temperaturze 105 o C, - obliczenie procentowej zawartości frakcji. Metody sedymentacyjne Metody te opierają się na pomiarze prędkości opadania cząstek glebowych różnej wielkości w wodzie stojącej. Prędkość ta zależy od wielkości i ciężaru cząstek, jak też od temperatury i gęstości ośrodka płynnego, w którym cząstki te sedymentują. Zgodnie z prawem Stokesa, na którym to opierają się metody sedymentacyjne, zakłada się, że cząstka opada w cieczy swobodnie, tzn. że poszczególne cząstki nie zderzają się, ani ze 9

10 sobą, ani ze ściankami naczynia. W praktyce do spełnienia tego warunku dąży się przez zmniejszenie do minimum koncentracji zawiesiny i stosowanie środków zabezpieczających przed koagulacją. Stąd też koncentracja fazy stałej w wodzie powinna wynosić około 1%, gdyż w ten sposób ogranicza się możliwość koagulacji cząstek glebowych. Ponadto średnica cylindra winna być możliwie duża (6 cm), aby wyeliminować zakłócenia w ruchu cząstek spowodowane ich zderzeniami ze ściankami cylindra. Wymagania też są stawiane temperaturze zawiesiny, która powinna być jednakowa w czasie prowadzenia badań. Każda bowiem zmiana temperatury zawiesiny powoduje zmiany jej gęstości i lepkości. Może to doprowadzić do zmiany warunków ruchu cząstek w zawiesinie i zakłócić prostolinijną drogę opadania cząstek glebowych. Klasyczna formuła Stokesa obejmująca te zależności to: 2 d1 d = 2 g r - 9 n V 2 gdzie: V szybkość opadania cząsteczek (cm/s 2 ), g stała przyśpieszenia ziemskiego (981 cm/s 2 ), r promień cząsteczki (cm), d 1 ciężar właściwy gleby (g/cm 2 ), d 2 ciężar właściwy ośrodka płynnego (g/cm 2 ), n lepkość. Do metod sedymentacyjnych należą: - Atterberga, - pipetowa (Köhna), - areometryczna Casagrande a, - areometryczna Casagrande a w modyfikacji Prószyńskiego, - orientacyjna Kruedenera. Do najbardziej rozpowszechnionych metod sedymentacyjnych należy metoda areometryczna Casagrande a w modyfikacji Prószyńskiego. Oznaczanie składu granulometrycznego tą metodą polega na pomiarach gęstości zawiesiny glebowej podczas postępującej sedymentacji cząstek glebowych w stałej temperaturze. Pomiarów gęstości dokonuje się areometrem Prószyńskiego. Jest on tak wyskalowany, że różnica dwóch kolejnych odczytów daje procentową zawartość frakcji, która osiadła w czasie dzielącym te odczyty. Gęstość zawiesiny glebowej odczytuje się w terminach podanych w tabelach 10

11 opracowanych przez Prószyńskiego. Zależą one nie tylko od średnicy opadających cząsteczek i temperatury zawiesiny, ale i składu granulometrycznego badanej gleby. Wpływ średnicy cząstek oraz temperatury na terminy odczytów uwidacznia wzór Stokesa. Natomiast wpływ składu granulometrycznego na terminy odczytów związany jest z różną głębokością zanurzenia aerometru w zawiesinie glebowej. Wynika to ze zmieniającej się różnie w różnych glebach gęstości zawiesiny w czasie pomiaru, a więc ze zróżnicowanej drogi, jaką odbywają sedymentujące cząstki glebowe do głębokości wyznaczonej przez środek bańki areometru. Wskutek tego w odniesieniu do każdej grupy granulometrycznej gleby należy korzystać z oddzielnych tabel. Aby prawidłowo określić terminy odczytów, wykonujący analizę musi oznaczyć przynajmniej w przybliżeniu grupę mechaniczną badanej gleby. Należy pamiętać, że w wyniku analizy areometrycznej nie otrzymuje się rzeczywistych wymiarów cząstek, lecz wielkości tzw. średnicy zastępczej. Oznacza ona średnicę cząstki kulistej, która opada z taką samą prędkością, co badana cząstka kształtu niekulistego o tym samym ciężarze właściwym. Pojęcie to zostało wprowadzone dlatego, że cząstki glebowe, a szczególnie mniejsze od 0,005 mm, nie mają kształtu kul, lecz płytek. Prędkość zaś opadania cząstek niekulistych różni się od prędkości opadania cząstek w kształcie kuli. Metoda areometryczna w modyfikacji Prószyńskiego jest bardzo przydatna do masowych analiz. Jest ona łatwa w wykonaniu i wystarczająco dokładna do celów praktycznych. Najbardziej nadaje się do oznaczania składu granulometrycznego piasków gliniastych, glin i iłów. Przy analizie utworów pyłowych wskazane jest oddzielenie frakcji piaszczystych na sitach, ponieważ metoda ta powoduje zwiększenie ilości frakcji piasku na niekorzyść frakcji pyłu grubego. c. Przebieg ćwiczenia opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu Wykonanie analizy granulometrycznej gleby metodą areometryczną Casagrande a w modyfikacji Prószyńskiego Przygotowanie próbek glebowych do pomiaru: - odważyć 40 g suchej gleby przesianej przez sito o średnicy 1 mm do zlewki o pojemności 1000 cm 3, - dodać 1,5 2 g bezwodnego węglanu sodu oraz 700 cm 3 wody destylowanej, - gotować przez 30 min licząc od chwili zawrzenia. Podczas gotowania mieszać cały czas szklaną pałeczką uważając, aby gleba nie wykipiała, - odstawić naczynie, aby zawiesina ostygła do temperatury pokojowej, 11

12 - przenieść zawiesinę do cylindra o pojemności 1000 cm 3 i uzupełnić wodą destylowaną do kreski, - do drugiego takiego samego cylindra dodać 1,5 2 g bezwodnego węglanu sodu i uzupełnić do kreski wodą destylowaną (jest to roztwór porównawczy), - wyrównać temperaturę w obu cylindrach (dopuszczalna różnica wynosi 0,5 o C), Wykonanie wstępnego pomiaru: - wprowadzić areometr do cylindra z roztworem porównawczym i oznaczyć gęstość tego roztworu (odczyt 0), - zawiesinę glebową dokładnie wymieszać przez około 30 sekund i postawić stole, - po upływie minut od chwili postawienia cylindra wykonać pomiar gęstości areometrem Prószyńskiego, - różnica odczytów gęstości w zawiesinie glebowej i roztworze porównawczym wskaże przybliżoną zawartość cząstek mniejszych od 0,02 mm w badanej glebie. Liczba ta pozwoli wyszukać właściwą tabelę do określania czasów odczytów. Należy znaleźć taką tabelę, w której podana zawartość cząstek spławialnych jest najbardziej zbliżona do otrzymanej różnicy pomiarów gęstości zawiesiny i roztworu porównawczego, - dokonać pomiaru temperatury zawiesiny glebowej i roztworu porównawczego. Na tej podstawie w tabeli odszukać odpowiedni wiersz, w którym podane są czasy odczytów. Należy je wpisać do uprzednio przygotowanej przez siebie tabeli. Wykonanie właściwego pomiaru: - mieszać zawiesinę gleby przez około 30 sekund. Bezpośrednio po zakończeniu mieszania cylinder postawić na stabilnej konsoli i włączyć stoper. Jeśli w zawiesinie pojawi się piana to ją usunąć dodając kilka kropel alkoholu amylowego, - wprowadzić ostrożnie areometr do zawiesiny tak, aby balansowanie areometru było słabe i krótkotrwałe, - w terminach podanych w tabelach Prószyńskiego dokonać pomiarów gęstości zawiesiny, Uwaga! 1. Jeśli celem analizy jest określenie grupy granulometrycznej to wystarczy wykonać tylko trzy pomiary (I, II, III). Natomiast jeśli celem jest określenie także poszczególnych frakcji w częściach spławialnych należy wykonać jeszcze dwa dalsze pomiary (IV i V). 2. Areometr raz umieszczony w zawiesinie powinien pozostać w niej tak długo, aż zostaną wykonane wszystkie przewidziane pomiary. 12

13 Sprzęt: Waga, tryskawka laboratoryjna, cylindry szklane (1000 cm 3, średnica 6 cm), pipeta, termometr, areometr Prószyńskiego. Odczynniki: Bezwodny węglan sodu, alkohol amylowy (C 5 H 15 OH). Obliczenia: Zawartość poszczególnych frakcji w % liczy się następująco: odczyt I odczyt II = pył gruby odczyt II odczyt III = pył drobny odczyt III odczyt IV = ił pyłowy gruby odczyt IV odczyt V = ił pyłowy drobny odczyt V odczyt 0 = ił koloidalny å = piasek W przypadku wykonania tylko trzech odczytów zawartość frakcji oblicza się następująco: odczyt I odczyt II = pył gruby odczyt II odczyt III = pył drobny odczyt III odczyt 0 = ił å = piasek gdzie å oznacza sumę frakcji o średnicy mniejszej od 0,1 mm prezentacja i analiza wyników Wyniki należy przedstawić w tabeli: Tabela Gęstość zawiesiny glebowej w czasie postępującej sedymentacji cząstek glebowych Nr próbki Średnica frakcji granulometrycznych gleby (mm) < 0,1 < 0,05 < 0,02 < 0,02 0,02 0,05 0,05 0,1 0,1 1,0 Pomiary areometrem (g/cm 3 ) Różnica pomiarów (% frakcji) 0 I II III III - 0 II - III I - II å 13

14 Na podstawie otrzymanych wyników należy określić, jaki utwór glebowy poddawany był analizie, a także opisać właściwości fizyczno-chemiczne tego utworu oraz wyciągnąć wnioski na temat jego przydatności rolniczej. d. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. e. Literatura Białousz S., Skłodowski P Ćwiczenia z gleboznawstwa i ochrony gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa. Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Mocek A., Drzymała S., Maszner P Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań. Ostrowska A., Gawliński S., Szczubiałka Z Metody analizy i oceny właściwości gleb i roślin. Instytut Ochrony Środowiska. Warszawa. Rewut I. B Fizyka gleb. PWRiL. Warszawa. Turski R., Słowińska-Jurkiewicz A., Hetman J Zarys gleboznawstwa. Podręcznik dla studentów wydziałów ogrodniczych. Wyd. Akademii Rolniczej. Lublin. Uggla H Gleboznawstwo rolnicze. PWN. Warszawa. 14

15 4. Właściwości fizyczne podstawowe gleb. Oznaczanie gęstości właściwej gleb a. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Poznanie właściwości fizycznych podstawowych gleby, zdobycie umiejętności określania właściwości fizycznych podstawowych w różnych utworach glebowych w zależności od procentowej zawartości w nich frakcji granulometrycznych oraz poznanie metod oznaczania gęstości właściwej gleby. Zakres ćwiczenia oznaczanie gęstości właściwej utworów glebowych przy pomocy metody piknometrycznej i metody biuretowej, a także wnioskowanie na temat właściwości badanej próbki glebowej na podstawie uzyskanych wartości gęstości właściwej. b. Przebieg ćwiczenia opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu Oznaczenie gęstości właściwej gleby metodą piknometryczną Wykonanie oznaczenia: - zważyć kolbę miarową wraz z korkiem na wadze technicznej (a), - wsypać do kolby miarowej około 10 g suchej gleby i zważyć wraz z korkiem (b), - dodać do połowy objętości kolby miarowej wodę destylowaną i gotować tak długo, aż z gleby przestaną uchodzić pęcherzyki powietrza, - ostudzić zawartość kolby miarowej do temperatury pokojowej, - dopełnić kolbę miarową woda destylowaną w ten sposób, aby kapilara wewnątrz korka była wypełniona wodą, a pod korkiem nie było powietrza, - zważyć kolbę miarową wraz z korkiem oraz z wodą i glebą (c), - opróżnić kolbę miarową i napełnić go wodą destylowaną w ten sposób, aby kapilara wewnątrz korka była wypełniona wodą, a pod korkiem nie było powietrza, - zważyć kolbę miarową wraz z korkiem i wodą (d), Sprzęt: Kolba miarowa z korkiem, waga techniczna, suszarka laboratoryjna. Obliczenia: Gęstość właściwą gleby oblicza się według następującego wzoru: b - a r = (g/cm 3 ) ( d - a) - ( c - b) 15

16 gdzie: a masa kolby miarowej z korkiem (g) b masa kolby miarowej z korkiem i glebą (g) c masa kolby miarowej z korkiem, glebą i wodą (g) d masa kolby miarowej z korkiem i wodą (g) Oznaczenie gęstości właściwej gleby metodą biuretową Wykonanie oznaczenia: - zważyć kolbę miarową o pojemności 25 cm 3 na wadze technicznej (a), - wsypać do kolby około 10 g suchej gleby, - zważyć kolbę razem z glebą (b), - dodać z biurety do kolby zawierającej glebę alkohol, aż do kreski wyznaczającej pojemność kolbki; w tym czasie mieszać kilkakrotnie jej zawartość, - odczytać z biurety ilość dodanego do kolbki alkoholu (V). Sprzęt: Waga techniczna, kolbki (25 cm 3 ), biurety. Odczynniki: Alkohol etylowy (denaturat). Obliczenia: Gęstość właściwą gleby oblicza się według następującego wzoru: gdzie: b - a r = (g/cm 3 ) 25 -V V objętość alkoholu dodanego z biurety (cm 3 ), a masa kolbki (g), b masa kolbki z glebą (g). prezentacja i analiza wyników Wyniki należy przedstawić w formie tabeli: Wartość gęstości właściwej otrzymanej dwoma metodami Nr próbki Gęstość właściwa met. piknometryczna (g/cm 3 ) Gęstość właściwa met. biuretowa (g/cm 3 ) Tabela 16

17 Należy porównać ze sobą otrzymane z oznaczeń dwie wartości gęstości właściwej badanej próbki gleby i wyjaśnić ewentualne różnice między nimi. Uzyskane wyniki należy zinterpretować porównując do wartości typowych podanych w literaturze i na tej podstawie ocenić właściwości fizyczne podstawowe badanej próbki glebowej. c. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. d. Literatura Białousz S., Skłodowski P Ćwiczenia z gleboznawstwa i ochrony gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa. Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Marcinek J., Spychalski M Wpływ zawartości materii organicznej na fizyczne właściwości gleb hydromorficznych. Rocz. Akademii Rolniczej w Poznaniu Poznań. Mocek A., Drzymała S., Maszner P Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań. Okruszko H. Zawadzki S Określenie ciężaru właściwego i porowatości gleb hydrogenicznych za pomocą równań regresji. Wiad. Melior Rewut I. B Fizyka gleb. PWRiL. Warszawa. 17

18 5. Właściwości wodne gleb: wilgotność gleby, krzywa pf a. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Poznanie teoretycznych wiadomości na temat wilgotności gleby i krzywej pf, poznanie metod oznaczania wilgotności gleby oraz wyznaczania krzywej pf. Zakres ćwiczenia Wykreślenie krzywych pf dla danych gleb, obliczenie zawartości wody grawitacyjnej, łatwo dostępnej, trudno dostępnej, niedostępnej oraz potencjalnej retencji użytecznej w danej glebie. b. Przebieg ćwiczenia W oparciu o otrzymane wyniki badań zawartości wody w próbkach glebowych dla określonych potencjałów wodnych należy wykreślić na papierze milimetrowym krzywe pf, odkładając na osi odciętych zawartość objętościową wody w %, zaś na osi rzędnych siłę ssącą pf. Następnie wyznaczyć punkt trwałego więdnięcia roślin i obliczyć zawartość (w %) wody grawitacyjnej, łatwo dostępnej, trudno dostępnej, niedostępnej dla roślin, polową pojemność wodną oraz potencjalną retencję użyteczną w badanej glebie. Na podstawie przebiegu krzywej określić również porowatość ogólną i dyferencjalną gleby. c. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. d. Literatura Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Mocek A., Drzymała S., Maszner P Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań. Instrukcja obsługi: Sandbox and pressure membrane apparatures for soil moisture characteristics determination Eijkelkamp. Turski R Gleboznawstwo. Ćwiczenia dla studentów wydziałów rolniczych. PWN. Warszawa. 18

19 6. Przepuszczalność wodna gleb. Oznaczanie współczynnika filtracji za pomocą przepuszczalnościomierza laboratoryjnego a. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Poznanie wiadomości na temat przepuszczalności wodnej gleb oraz omówienie głównych metod oznaczania współczynnika filtracji gleby. Zakres ćwiczenia Oznaczenie współczynnika filtracji otrzymanej do analizy próbki glebowej za pomocą przepuszczalnościomierza laboratoryjnego. b. Wprowadzenie do metodyki Współczynnik filtracji można wyznaczyć na podstawie wzorów empirycznych uwzględniających skład granulometryczny oraz badań laboratoryjnych i terenowych. Wzory empiryczne Dla celów praktycznych przybliżoną wartość otrzymuje się ze wzoru Hazena: k = 1000 d 10 (m/d) 2 gdzie: d 10 średnica ziaren, których masa wraz z masą ziaren mniejszych stanowi 10% masy próbki. Wzór ten ma zastosowanie gdy średnica miarodajna mieści się w przedziale 0,1 0,3 mm i wskaźnik różnoziarnistości W r 5. Powszechne zastosowanie ma wzór USBSC: 2,3 k = 311 d 20 (m/d) gdzie: d 20 średnica ziaren, których masa wraz z masą ziaren mniejszych stanowi 20 % masy próbki. Wzór ma zastosowanie dla d 20 zawierających się w przedziale 0,08 3,0 mm. Opracowany jest też nomogram do bezpośredniego odczytywania współczynnika filtracji. 19

20 Badania polowe Najbardziej dokładnymi i szeroko rozpowszechnionymi metodami oznaczania współczynnika filtracji są pomiary w studniach, piezometrach itp. Wykonywać je można w studniach wywierconych z pozostawieniem rury osłonowej, gdzie dopływ wody odbywa się przez dno studni lub bez rur osłonowych w samych otworach wiertniczych. Wyróżnia się dwie metody pomiaru w otworach wiertniczych bez rur osłonowych: - przy wysokim zaleganiu zwierciadła wody gruntowej woda gruntowa znajduje się na określonej głębokości w otworze wiertniczym, a pomiaru dokonuje się przez czerpanie wody ze studni, - przy niskim zaleganiu poziomu wody gruntowej pomiaru dokonuje się przez wlanie określonej ilości wody do studni i mierzona jest jej szybkość opadania. W otworach wiertniczych z rurami osłonowymi wyróżnia się metody: - z wysokim zaleganiem zwierciadła wody gruntowej, - głębokie zaleganie zwierciadła wody gruntowej, - dla strefy nienasyconej przez zalewanie otworu. Przy dokonywaniu pomiarów współczynnika filtracji w piezometrach wyróżnia się trzy warunki wykonywania pomiarów: - czerpanie wody z otworu, gdy filtr znajduje się w warstwie o napiętym zwierciadle wody, - zalewanie otworu, gdy filtr jest poniżej zwierciadła wody gruntowej, - zalewanie otworu, gdy filtr jest powyżej zwierciadła wody gruntowej. Badania laboratoryjne Współczynnik filtracji może być również oznaczany w laboratorium. Służy do tego laboratoryjny przepuszczalnościomierz. W zależności od składu mechanicznego gleby współczynnik filtracji możemy oznaczyć przy użyciu przepuszczalnościomierza dwiema metodami: metodą stałego przepływu i metodą malejącego przepływu. Metoda malejącego przepływu jest przeznaczona dla utworów glebowych o małej przepuszczalności (np. glina, torf). W metodzie tej mierzy się podnoszenie poziomu wody ponad próbkę (h 1 h 2 ) w określonym przedziale czasu (t 2 t 1 ). Wykonujemy to przy pomocy próbnika zamocowanego na ruchomym pomoście przymocowanym do krawędzi zbiornika 5. Metoda ta jest bardziej czasochłonna niż metoda stałego przepływu. Metoda stałego przepływu jest przeznaczona dla gleb o małej przepuszczalności. Woda przepływa przez dobrze nasyconą próbkę glebową na skutek wytworzenia różnicy ciśnień po 20

21 obu stronach próbki. Wypływ wody jest mierzony i następnie łączony z różnicą ciśnień oraz wielkością próbki w celu obliczenia przepuszczalności. Przepuszczalnościomierz stanowi system zamknięty (rys. 1). Pompa 1 podnosi wodę ze zbiornika 2, przez filtr 3, do regulatora poziomu wody 4. Do regulatora podłączone są dwa gumowe przewody. Jeden łączy regulator ze zbiornikiem 5, natomiast drugi odprowadza nadmiar wody w regulatorze do zbiornika 2. Regulator utrzymuje wymagany poziom wody w zbiorniku 5, gdyż stanowią one system naczyń połączonych. Próbkę gleby pobraną do cylinderka 6 umieszcza się wraz z cylinderkiem w specjalnym uchwycie, który wkłada się do specjalnego stelaża w zbiorniku 5. Syfon 7 przewodzi wodę sączącą się z próbki przez biuretę 8 i odbiornik wycieku 9 z powrotem do zbiornika 5. Wszystko to zachodzi w wyniku różnicy wysokości wody h pomiędzy poziomem wody wewnątrz i na zewnątrz uchwytu. W ten sposób stały strumień wody płynie przez próbkę. Ilość wypływającej wody jest mierzona poprzez gromadzenie jej w biurecie i pomiarze czasu, w którym jest ona wypełniana. Rys. 1. Budowa przepuszczalnościomierza laboratoryjnego 21

22 c. Przebieg ćwiczenia opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu Oznaczenie współczynnika filtracji gleby metodą stałego przepływu Wykonanie oznaczenia: - syfon, uprzednio napełniony wodą, umieszczamy w uchwycie kiedy poziom wody wewnątrz i na zewnątrz uchwytu cylinderka będzie na mniej więcej tej samej wysokości. Utrzymuje to wodę powyżej próbki na określonym poziomie, który może być regulowany za pomocą zbiornika wyrównującego. Różnica poziomów (h) wewnątrz i na zewnątrz uchwytu powinna się zawierać pomiędzy 2 mm (silnie przepuszczalne gleby) i 20 mm (słabo przepuszczalne gleby). Najlepiej jest określać współczynnik przepuszczalności przy jak najmniejszej różnicy poziomów, - woda przepływa przez próbkę i kiedy ilość wody wypływającej w jednostce czasu (cm 3 /min) osiągnie stałą wartość należy wykonać 3 pomiary w określonych przez prowadzącego odstępach czasowych, - w tym czasie należy również zmierzyć różnicę poziomów wody na zewnątrz i wewnątrz uchwytu. Sprzęt: Przepuszczalnościomierz laboratoryjny, cylinderki glebowe, stopery. wzoru: Obliczenia: Współczynnik przepuszczalności oznaczony metodą stałego przepływu obliczamy ze Q L k = 144 (m/d) h A gdzie: k współczynnik filtracji (m/d), Q ilość wody wypływającej w jednostce czasu (cm 3 /min), L wysokość próbki (cylinderka) równa 5,1 (cm), h różnica poziomów wody wewnątrz i na zewnątrz uchwytu (mm), A powierzchnia przekroju próbki równa 19,6 (cm 2 ). 22

23 prezentacja i analiza wyników Uzyskane wartości współczynnika filtracji gleb należy przeliczyć na jednostkę cm/s oraz porównać z wartościami podawanymi w literaturze dla różnych utworów glebowych i na tej podstawie wnioskować, co do rodzaju badanego utworu glebowego. d. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. e. Literatura Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Instrukcja Obsługi: ICW laboratory permeameters for determination of water permeability of soil samples Eijkelkapm. Kozerski B., Pazdro Z Hydrogeologia ogólna. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa. 23

24 7. Odczyn gleb i właściwości buforowe gleb. Oznaczanie ph gleby. Oznaczanie właściwości buforowych gleb metodą Arrheniusa a. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Poznanie teoretycznych wiadomości na temat odczynu gleby oraz jego znaczenia dla środowiska glebowego, czynników powodujących zakwaszenie, sposobów regulacji odczynu glebowego oraz poznanie metod jego oznaczania. Celem ćwiczenia jest również poznanie teoretycznych wiadomości na temat właściwości buforowych gleb oraz metody Arrheniusa służącej do oznaczania właściwości buforowych gleb. Zakres ćwiczenia Oznaczenia ph próbek glebowych w wodzie i w chlorku potasu, wnioskowanie na temat odczynu badanej gleby oraz jej właściwości i przydatności rolniczej. Ponadto oznaczenie właściwości buforowych badanej próbki gleby metodą Arrheniusa, wykreślenie odpowiednich krzywych oraz wnioskowanie na temat buforowości badanej gleby. c. Wprowadzenie do metodyki c.1. Oznaczenie odczynu gleby Odczyn gleb powszechnie jest oznaczany dwiema metodami: kolorymetryczną i potencjometryczną. Metody kolorymetryczne oznaczania ph gleby polegają na użyciu barwników organicznych, zwanych wskaźnikami lub indykatorami, które zmieniają barwę przy odpowiednim ph. Tak np. czerwień metylowa przy ph 4,2 jest czerwona, a przy ph 6,2 żółta. Dokładność tych metod jest znacznie mniejsza niż metod potencjometrycznych. Do grupy metod kolorymetrycznych zalicza się metodę Heliga, powszechnie stosowaną do oznaczenia ph w czasie prac terenowych. Pehametr Heliga składa się z płytki porcelanowej ze skalą barw i zagłębieniem na glebę oraz z indykatora, tj. odczynnika zmieniającego barwę zależnie od stężenia jonów wodorowych w roztworze glebowym. Skalę barw tworzy 5 kolorów odpowiadających następującym wartościom ph: - ciemnoczerwony 4, - jasnoczerwony 5, - żółty 6, - jasnozielony 7, - ciemnozielony 8. 24

25 Metody potencjometryczne polegają na pomiarze ph przy pomocy pehametrów posiadających elektrody. Działają one w ten sposób, że dwie elektrody: pomiarowa i porównawcza (referencyjna) zanurzone w roztworze wskazują, w zależności od stężenia jonów wodorowych, odpowiednią różnicę potencjałów. Pomiaru różnicy potencjału, zwanej siłą elektromotoryczną, dokonuje się potencjometrami, które mają oprócz skali wyrażonej w miliwoltach również skalą wyrażoną w jednostkach ph w zakresie 0 14 (stąd nazwa pehametr ). Najbardziej rozpowszechnioną elektrodą do pomiaru ph jest elektroda szklana zestawiona z elektrodą kalomelową jako elektrodą porównawczą. Pomiaru ph w glebie dokonuje się w zawiesinie: gleba + woda destylowana lub gleba + elektrolit, przy czym najczęściej jest stosowany stosunek wagowy składników zawiesiny: 1:2,5 lub 1:1. Jako elektrolit najszersze zastosowanie znalazły 1 M KCl i 0,01 M CaCl 2. c.2. Oznaczenie właściwości buforowych Do oznaczania właściwości buforowych gleb powszechnie stosuje się metodę Arrheniusa. Metoda ta polega na dodawaniu do danej ilości gleby zasady lub kwasu i pomiarze zmian odczynu gleby. Miareczkując gleby wzrastającymi ilościami 0,1 N ługu i kwasu określa się właściwości buforowe gleb uzyskując charakterystyczne krzywe (rys. 2). Dla porównania wykreśla się krzywą miareczkowania czystego piasku, nie mającego zdolności buforowych. Im większe są właściwości buforowe gleby, tym większa odległość między krzywymi. Pole między nimi powierzchnia zbuforowania, jest miarą zbuforowania gleby. 25

26 Z krzywych można ocenić buforowość różnych gleb przez porównanie: ile kwasu (zasady) zużyto na zmianę o jednostkę ph tej samej ilości gleby lub o ile jednostek zmienia się ph tej samej ilości gleby wskutek oddziaływania na nią 1 cm 3 kwasu (zasady). d. Przebieg ćwiczenia d.1. Analiza odczynu gleby opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu Metoda kolorymetryczna - Heliga Wykonanie oznaczenia: - wsypać w zagłębienie płytki szczyptę gleby i lekko ugnieść, - zalewać powoli glebę indykatorem, aż do jej całkowitego przykrycia, - po kilku minutach przechylić płytkę tak, aby roztwór znalazł się w podłużnym rowku, - porównać zabarwienie roztworu z barwną skalą w celu określenia ph gleby. Sprzęt: Płytka i indykator Heliga. Wykonanie oznaczenia: Metoda potencjometryczna - naważyć 2 próbki tej samej gleby po 10 g do zlewek o pojemności 50 cm 3, - dodać do jednej 25 cm 3 H 2 O destylowanej, a do drugiej 25 cm 3 1 M KCl, - kilkakrotnie zamieszać otrzymane roztwory, - dokonać pomiaru na pehametrze: w zawiesinie gleby z H 2 O po 30 minutach, w zawiesinie gleby z KCl po 60 minutach. Ważne jest skalibrowanie pehametru przed przystąpieniem do oznaczeń na roztworach buforowych o znanym ph. Sprzęt: Pehametr z elektrodami, waga, zlewki 50 cm 3, bagietki szklane do mieszania, cylinderki miarowe lub pipety 25 cm 3, tryskawka z H 2 O do płukania elektrod. prezentacja i analiza wyników Wyniki należy przedstawić w formie tabeli: ph gleby oznaczona w zawiesinie glebowej i 1M KCl Nr próbki ph w H 2 O ph w 1M KCl Tabela 26

27 Na podstawie uzyskanych wyników należy wyprowadzić wniosek dotyczący odczynu badanej próbki glebowej (czy próbka ma odczyn bardzo kwaśny, kwaśny, lekko kwaśny, obojętny czy zasadowy) i na tej podstawie w wnioskować na temat właściwości i przydatności rolniczej tej gleby. d.2. Analiza właściwości buforowych opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu Oznaczenie właściwości buforowych gleb metodą Arrheniusa Wykonanie oznaczenia: - do dwu równoległych serii probówek lub kolbek odważyć 5 g gleby torfowej zmielonej, 20 g gleby piaszczystej i po 10 g innych gleb przesianych przez sito o d oczek 1 mm, - do pierwszej serii wprowadzić biuretą kolejno 2, 4, 6, 8, 10 cm 3 0,1 N HCl, - do drugiej serii wprowadzić odpowiednie ilości 0,1 N NaOH, - wszystkie probówki dopełnić wodą do 20 cm 3, ich zawartość wymieszać i pozostawić na 24 h, - po tym czasie oznaczyć ph roztworów w probówkach, Sprzęt: ph-metr z elektrodami szklaną i kalomelową, waga techniczna, kolbki o pojemności 50 cm 3, probówki o pojemności 50 cm 3, zlewki o pojemności 25 cm 3, i 50 cm 3, kolby miarowe o pojemności 1000 cm 3, biurety o pojemności 10 i 25 cm 3, Statyw do biurety, pipety o pojemności 50 i 100 cm 3, pipety serologiczne o pojemności 20 cm 3. Odczynniki: 0,1 N kwas solny, 0,1 N wodorotlenek sodu, roztwór fenoloftaleiny. Prezentacja i analiza wyników Otrzymane wartości ph należy odłożyć na osi rzędnych, a odpowiadające tym wartościom ilości zasady lub kwasu w cm 3 na osi odciętych. W ten sposób otrzymuje się krzywą, która uwidacznia właściwości buforowe badanej gleby. Porównując uzyskaną krzywą z krzywą buforowania czystego piasku oraz z krzywymi buforowania różnych utworów glebowych podanymi w literaturze należy wnioskować na temat właściwości buforowych badanej próbki glebowej. e. Wymagania BHP - odzież ochronna typu fartuch, 27

28 - ćwiczenie wykonywać jedynie w obecności osoby prowadzącej zajęcia. f. Literatura Białousz S., Skłodowski P Ćwiczenia z gleboznawstwa i ochrony gruntów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa. Dobrzański B., Zawadzki S Gleboznawstwo. PWRiL. Warszawa. Mocek A., Drzymała S., Maszner P Geneza, analiza i klasyfikacja gleb. Wyd. Akademii Rolniczej w Poznaniu. Poznań. Łoginow W Chemia rolna. Przewodnik do ćwiczeń dla studentów wydziału rolniczego i zootechnicznego. Skrypty Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy. Bydgoszcz. Rewut I. B Fizyka gleb. PWRiL. Warszawa. Turski R Gleboznawstwo. Ćwiczenia dla studentów wydziałów rolniczych. PWN. Warszawa. Uggla H Gleboznawstwo rolnicze. PWN. Warszawa. Wierzbicki T Analiza wody i ścieków. Skrypty Politechniki Białostockiej. Wydawnictwa Politechniki Białostockiej. Białystok. 28

29 8. Kompleks sorpcyjny gleby. Kwasowość gleby. Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej metodą Kappena. Oznaczanie zawartości wymiennego glinu i wodoru metodą Sokołowa a. Cel ćwiczenia laboratoryjnego Poznanie teoretycznych wiadomości na temat sorpcji wymiennej w glebach, kwasowości gleb, zawartości, form i wpływu glinu na środowisko glebowe oraz poznanie metod oznaczania sumy zasad, kwasowości hydrolitycznej a także oznaczania glinu w glebie. Zakres ćwiczenia Oznaczenie sumy zasad w próbkach glebowych metodą Kappena i kwasowości hydrolitycznej gleb, również metodą Kappena oraz oznaczenie zawartości wodoru i glinu ruchomego w otrzymanej do analizy próbce glebowej metodą Sokołowa. b. Wprowadzenie do metodyki b.1. Oznaczanie kwasowości hydrolitycznej i sumy zasad Właściwości gleby polegające na zatrzymywaniu w niej cząstek stałych, gazów, a przede wszystkim różnych związków chemicznych i jonów nazywane są właściwościami sorpcyjnymi. W odżywianiu roślin największe znaczenie ma sorpcja wymienna kationów, w której czynny udział bierze kompleks sorpcyjny gleby. Analiza właściwości sorpcyjnych gleb najczęściej obejmuje oznaczenie: zawartości poszczególnych kationów zasadowych (Ca 2+, Mg 2+, K +, Na + ) zasorbowanych przez glebę, ewentualnie sumy zasad S (suma kationów zasadowych), kwasowości hydrolitycznej H h, całkowitej kwasowości wymiennej oraz całkowitej kationowej pojemności sorpcyjnej T (suma wszystkich kationów zasadowych i kwasowych zasorbowanych przez glebę). Kationy wymienne Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, H + są to wymienne formy poszczególnych kationów występujących w glebie. Metody oznaczania kationów wymiennych składają się z dwóch etapów: - wyparcia (wymycia) wszystkich wymiennych form poszczególnych kationów z gleby do roztworu, do tego celu stosowane są najczęściej odczynniki: 1 N CH 3 COONH 4 o ph 7,0, 0,5 N BaCl 2 + 0,2 N trójetyloamina o ph 8,2 (całkowita kwasowość wymienna) oraz 1 N CH 3 COONa o ph 8,2 (kwasowość hydrolityczna), - oznaczenia wypartych kationów zawartych w przesączu dostępnymi metodami, przy czym największe zastosowanie znalazły przy oznaczeniu: o Ca 2+, Mg 2+ - metoda miareczkowa z wersenianem sodu oraz metoda absorpcji atomowej, o K +, Na + - metoda fotometrii płomieniowej, 29

30 o H + - metoda miareczkowania ługiem. Do oznaczania sumy zasad S w glebach bezwęglanowych powszechnie stosuje się metodę Kappena. Metoda ta polega na wypieraniu wszystkich kationów zasadowych 0,1 N HCl. Jony metaliczne wyparte jonami H + łączą się z resztą kwasową Cl -, na skutek czego w roztworze powstają sole obojętne. Objętość kwasu solnego, która została zobojętniona przez wyparte kationy metaliczne, jest miarą sumy zasad. Ilość tę określa się miareczkując pozostały w przesączu glebowym nadmiar kwasu wodorotlenkiem sodu. Kwasowość hydrolityczną H h również oznacza się metodą Kappena. Przebieg metody jest bardzo zbliżony do toku postępowania w metodzie służącej do oznaczania sumy zasad. Główna różnica związana jest z innym związkiem ekstrakcyjnym. W metodzie tej wykorzystuje się zasadowy octan sodowy lub wapniowy, który z kompleksu sorpcyjnego gleby wypiera kationy o charakterze kwasowym, głównie wodoru i glinu. Kwasowość hydrolityczna jest wskaźnikiem stopnia wysycenia kompleksu sorpcyjnego jonami wodoru i glinu. Octan sodu (wapnia) hydrolizuje w wodzie na słaby kwas octowy i silną zasadę sodową (wapniową). Kationy sodu (wapnia) ze zdysocjowanej zasady sodowej (wapniowej) wypierają kationy wodoru i glinu z kompleksu sorpcyjnego gleby. W wyniku tej reakcji powstaje w roztworze kwas octowy, którego ilość określana przez miareczkowanie jest miernikiem kwasowości hydrolitycznej. Ze względu na to, że jednorazowe traktowanie gleby roztworem nie prowadzi do całkowitej wymiany jonów, wprowadzono eksperymentalnie dobrany współczynnik. Całkowitą kationową pojemność sorpcyjną gleb T można oznaczać metodami bezpośrednimi (metodą Metsona) lub pośrednimi, polegającymi na osobnym oznaczeniu zawartości poszczególnych kationów Ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, H + lub osobnym oznaczeniu sumy zasad S i oznaczeniu kwasowości hydrolitycznej H h. b.2. Oznaczanie zawartości wodoru i glinu ruchomego Najczęściej stosowaną metodą oznaczania wymiennego glinu i wodoru (kwasowości wymiennej) jest metoda Sokołowa. Oznaczenie to polega na wyparciu z kompleksu sorpcyjnego gleby jonów H + i Al 3+ w wyniku jej wytrząsania z roztworem soli obojętnej wg. reakcji: H + KS º Al KCl «KS 4 K + + HCl + AlCl 3 30

31 Chlorek glinu ulega hydrolizie i powstaje wodoroltlenek glinu, który jako słaba zasada jest zdysocjowany w bardzo małym stopniu, w efekcie czego roztwór jest kwaśny: AlCl H 2 O «Al(OH) HCl Tak więc bez względu na to, czy jony K + wypierają z kompleksu sorpcyjnego jony H +, czy jony Al 3+, końcowym efektem jest zakwaszenie. Przez miareczkowanie wyciągu glebowego mianowanym roztworem NaOH oznacza się sumę wymiennych jonów H + i Al 3+ (ściślej mówiąc, oznacza się sumę jonów wodorowych wymiennych i jonów wodorowych powstałych na skutek hydrolizy soli glinu), czyli kwasowość wymienną: HCl + NaOH «NaCl + H 2 O W celu oznaczenia zawartości samych jonów Al 3+ wykonuje się oznaczenie zawartości jonów H + przez miareczkowanie NaOH, po uprzednim strąceniu fluorkiem sodu jonów Al 3+ w formie soli obojętnej kriolitu: AlCl NaF «Na 3 AlF NaCl Ilość wymiennych jonów glinu wylicza się z różnicy miedzy ilością zużytego NaOH przy pierwszym (kwasowość wymienna) i drugim miareczkowaniu. c. Przebieg ćwiczenia opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu Oznaczenie sumy zasad metodą Kappena Wykonanie oznaczenia: - odważyć i wsypać do bidonu 20 g suchej gleby, - dodać 100 cm 3 0,1 N HCl, - wytrząsać na mieszadle rotacyjnym przez 1 h, - pozostawić w spokoju na 24 h, - przesączyć zawiesinę, - pobrać 50 cm 3 klarownego przesączu i przenieść do kolby Erlenmayera, - dodać 2-3 krople fenoloftaleiny i miareczkować 0,1 N NaOH do lekko różowego zabarwienia utrzymującego się przez co najmniej 1 min. 31

32 Sprzęt: Waga laboratoryjna, mieszadło rotacyjne, kolby 250 cm 3 z korkiem gumowym, lejki, sączki, statywy, kolby Erlenmayera 300 cm 3, zlewki 250 cm 3, pipety 50 i 100 cm 3, biureta. Odczynniki: 0,1 N roztwór HCl, 0,1 N roztwór NaOH, 1 % roztwór fenoloftaleiny. Obliczenia: Sumę zasad w badanej próbce glebowej należy obliczyć ze wzoru: S = ( 50 -V ) n 10 (cmol (+)/kg gleby) gdzie: S suma zasad, 50 objętość przesączu wzięta do miareczkowania (cm 3 ), V objętość NaOH zużyta do miareczkowania (cm 3 ), n normalność NaOH, 10 współczynnik przeliczeniowy dostosowany do przyjętych rozcieńczeń. Prezentacja i analiza wyników Uzyskany wynik sumy zasad w badanej próbce glebowej należy porównać z wartościami podawanymi dla różnych utworów glebowych w literaturze. Oznaczenie kwasowości hydrolitycznej metodą Kappena Wykonanie oznaczenia: - umieścić 40 g suchej gleby w kolbie lub bidonie 250 cm 3, - dodać 100 cm 3 1 N CH 3 COONa o ph 8,2, - wytrząsać na mieszadle rotacyjnym przez 1 h, - przesączyć zawiesinę odrzuciwszy pierwsze krople, - pobrać 50 cm 3 przesączu i przenieść do kolby Erlenmayera, - dodać 3-4 krople fenoloftaleiny i miareczkować 0,1 N NaOH do lekko różowego zabarwienia. Sprzęt: Waga laboratoryjna, mieszadło rotacyjne, kolby 250 cm 3 z korkiem gumowym, lejki, sączki, statywy, kolby Erlenmayera 300 cm 3, zlewki 250 cm 3, pipety 50 i 100 cm 3, biureta. 32