Odczyn gleby

Transkrypt

1 Odczyn gleby Prof. dr hab. Barbara Filipek-Mazur Odczyn jest najczęściej używanym wskaźnikiem żyzności gleby. Wpływa na wielkość i jakość plonów roślin uprawnych, a także na właściwości gleby. Regulacja odczynu gleby powinna być pierwszym zabiegiem agrotechnicznym stosowanym przez rolnika. Co to jest ph gleby W interpretacji właściwości gleby stężenie jonów hydroniowych roztworu glebowego wyraża się za pomocą tzw. wykładnika stężenia jonów wodorowych oznaczonych symbolem ph, który można zdefiniować: ph = - log [H 3 O + ] 17 Stacji Chemiczno-Rolniczych analizuje tys. próbek gleb rocznie dla potrzeb doradztwa nawozowego Podział gleb pod względem zakwaszenia Zakwaszenie gleb w Polsce Odczyn gleby ph w 1 mol dm -3 KCl ph w H 2 O Bardzo kwaśny do 4,5 do 5,0 Kwaśny 4,6 5,5 5,1 6,0 Lekko kwaśny 5,6 6,5 6,1 6,7 60% gleby bardzo kwaśne 25% gleby lekko kwaśne 15% gleby zasadowe Obojętny 6,6 7,2 6,8 7,4 Zasadowy od 7,3 od 7,5 1

2 Jakościowe potrzeby wapnowania gleb w układzie trójstopniowym Stopień potrzeby wapnowania Wapnowanie: Grupa I Gleby bardzo lekkie i lekkie Grupa II Gleby średnie Cząstki spławialne < 0,02 mm /%/ do od 35 Grupa III Gleby ciężkie ph w roztworze KCl o stężeniu 1 mol dm -3 Użytki zielone /gleby mineralne/ Najwięcej gleb bardzo kwaśnych wschodnia i centralna Polska Gleby zasadowe stanowią 6% UR (kujawskopomorskie 20%) konieczne < 4,5 < 5,0 < 6,0 < 5,0 wskazane 4,6 5,5 5,1 6,0 6,1 7,2 5,1 6,0 ograniczone > 5,5 > 6,0 > 7,2 > 6,0 Nawożenie silne zróżnicowanie na przestrzeni ostatnich 50 lat Emisje W Polsce zakwaszenie gleb jest od wielu lat jednym z głównych problemów rolnictwa. Zgodnie z indeksem żyzności czynnik ten w największym stopniu ogranicza produkcję rolniczą. Kwaśny odczyn środowiska glebowego wywiera większy wpływ na poziom uzyskiwanych plonów roślin uprawnych niż jego niedostateczna zasobność w przyswajalne formy składników pokarmowych ( K, Mg, P). Przyczyną zakwaszania się gleb w Polsce jest m.in. wysoki udział gleb bardzo lekkich i lekkich 65,8% powierzchni gruntów ornych. Całkowita emisja SO 2 w Polsce była najwyższa w latach W roku 1980 przekroczyła 4 mln ton, co w przeliczeniu na 1 ha wynosiło ponad 130 kg. W latach następnych emitowano znacznie mniej tego gazu ( w roku 1998 o 54%, obecnie około 10 kg S/ha rocznie). Emisja tlenków azotu odznaczała się bardzo wysoką dynamiką wzrostu w latach Podobnie jak w przypadku SO 2 ulega systematycznej redukcji (o około 30%). Rozwój motoryzacji pogorsza tą sytuację. Spośród zanieczyszczeń powietrza największemu obniżeniu uległa emisja pyłów (75%). Pyły ze względu na alkaliczny charakter wpływają na neutralizację emitowanych związków siarki i azotu. Neutralizacja ta częściowo następuje już w powietrzu atmosferycznym, a następnie w środowisku glebowym. Około dwukrotne obniżenie wpływu analizowanych czynników antropogenicznych w ostatnim leciu nie wpłynęło na zmiany odczynu gleb w Polsce. Udział gleb bardzo kwaśnych i kwaśnych zmniejszył się o 1%, a zwiększył także o 1% udział gleb obojętnych i zasadowych. Wniosek: O stanie zakwaszenia gleb decyduje głównie skała macierzysta, a także klimat i biocenoza. 90% obszaru Polski zajmuja gleby wytworzone ze skał osadowych Opady (tereny nadmorskie i górskie), (okruchowe, luźne) temperatura aktywnośc biologiczną gleby Aktywośc biologiczna gleby: H+ - w wyniku oddysocjowania z grup fenolowych i karboksylowych (produkty wydzielin korzeniowych i śluzów bakteryjnych oraz pośrednich produktów przemiany substancji organicznej) Nitryfikacja W wyniku utleniania 1 mol NH+ powstają 2 mol H+ 2

3 Zmiany odczynu gleb Polski Ilość jonów H+ antropogenicznego pochodzenia oraz % udział w zakwaszaniu nawożenia azotem i emisji SO2 i NOx ph w KCl <5, ,5 6, >6, Lata Ilość H+ pochodzenia % udział w zakwaszeniu antropog. nawożenie N SO2 Nox ,10 36,5 61,2 2, ,95 29,4 57,1 13, ,22 34,2 51,4 14, ,09 42,4 44,0 13, ,68 50,7 36,6 12, ,67 54,5 32,8 11,7 Wrażliwość roślin na odczyn gleby Optymalne i tolerowane zakresy ph dla niektórych roślin Grupa I rośliny bardzo wrażliwe na kwaśny odczyn, najlepiej rozwijające się przy ph KCl = 6,0-7,5 /pszenica, jęczmień, lucerna, koniczyna, kapusta, bobik, groch, buraki, rzepak, konopie, cebula/. Grupa II rośliny średnio wrażliwe na kwaśny odczyn, najlepiej rozwijające się przy ph KCl = 5,5-6,5 /żyto, owies, rzepa, brukiew, marchew, ziemniaki, bób, len/. Grupa III rośliny mało wrażliwe, nawet wymagające kwaśnego odczynu gleby, dobrze rozwijają się przy ph KCl < 5,5 /łubin, seradela/. Kolorymetryczne oznaczania ph gleby Kolorymetryczne oznaczania ph gleby Polega na zmianie zabarwienia indykatora w zależności od stężenia jonów wodorowych. Jako indykatorów używa się różnych związków organicznych, zachowujących się podobnie jak słabe kwasy lub zasady, których drobina niezdysocjowana jest inaczej zabarwiona niż anion. HA = H + + A - /barwa kwasu/ /barwa anionu/ W środowisku kwaśnym na skutek cofnięcia się dysocjacji pojawia się barwa niezdysocjowanych drobin HA, w środowisku zasadowym zaś barwa anionu A - z powodu przesunięcia równowagi na prawo. 3

4 Potencjometryczne oznaczanie ph gleby Potencjometryczne oznaczanie ph gleby Pomiar ph gleby polega na zmierzeniu siły elektromotorycznej /różnicy potencjałów/ ogniwa zbudowanego z dwóch elektrod i elektrolitu, którym jest zawiesina glebowa. Potencjometryczne oznaczenie ph gleby przeprowadza się najczęściej w zawiesinie wodnej lub zawiesinie roztwory KCl o stężeniu 1 mol dm -3. Potencjometryczne oznaczanie ph gleby Potencjometryczne oznaczanie ph gleby Najczęstszy układ elektrod przy oznaczaniu ph zawiesin glebowych to: elektroda kalomelowa / o stałym potencjale/ nazywana elektrodą porównawczą oraz elektroda szklana /o zmiennym potencjale, zależnym od stężenia jonów H + w badanej zawiesinie/ nazywana elektrodą pracująca Pomiar ph przeprowadzony w zawiesinie KCl daje niższe wartości niż w wodzie. Dlaczego? Kwasowość gleby jest spowodowana przez jony wodorowe dwojakiego rodzaju jony wodorowe znajdujące się w roztworze glebowym i jony wodorowe tkwiące w kompleksie sorpcyjnym. KS-H + + KCl = KS-K + + HCl Właściwości buforujące gleby Krzywe buforowe To zdolność gleby do przeciwstawiania się nagłym zmianom ph. Różne gleby niejednakowo reagują np.: na dodatek wapna lub zakwaszające działanie nawozów azotowych. Możemy wyróżnić gleby słabo zbuforowane łatwiej zmieniające ph i gleby silnie zbuforowane trudniej zmieniające ph. Buforowość gleby zależy od: pojemności kompleksu sorpcyjnego gleby, rodzaju kationów zasorbowanych, zawartości węglanów 4

5 Zależność dawki wapna od rodzaju gleby Zakwaszające działanie nawozów mineralnych Szacuje się, że aby zobojętnić: 100 kg siarczanu amonu potrzeba 110 kg CaCO kg mocznika 82 kg CaCO kg saletry amonowej 61 kg CaCO 3 Oddziaływanie nawozów mineralnych na odczyn gleby Oddziaływanie nawozów mineralnych na odczyn gleby 1. Oddziaływanie wynikające ze składu chemicznego nawozu A/ Nawozy o odczynie słabo kwaśnym - sole silnego kwasu i słabszej zasady (siarczan amonu, saletra amonowa). B/ Nawozy o odczynie obojętnym - sole silnego kwasu i mocnej zasady (saletra sodowa, saletra wapniowa). C/ Nawozy o odczynie silnie zasadowym - amoniak gazowy, amoniak ciekły (woda amoniakalna), mączki fosforytowe. 2. Fizjologiczne oddziaływanie nawozu na odczyn gleby O tego rodzaju oddziaływaniu mówimy wtedy, gdy nawóz styka się z żywym organizmem np. korzeniami roślin wyższych, mikroorganizmami glebowymi. Dotyczy to przede wszystkim nawozów azotowych. Wpływ nawozów mineralnych na wartość ph gleby - po 50 latach doświadczenia (1 mol KCl/dm3) Głębokość profilu (cm) Bez nawożenia Obornik Siarczan amonu Saletra wapniowa ,84 5,78 4,85 5, ,44 5,66 5,24 5, ,40 5,69 5,20 5, ,48 5,73 5,60 5,68 Wieloletnie doświadczenia wykazały, że gleba niewapnowana i nienawożona nawozami naturalnymi i organicznymi systematycznie obniża wartość swojego ph we wszystkich warstwach profilu. Skutkiem tego jest zwiększenie zawartości glinu wymiennego pierwiastka występującego w skorupie ziemskiej w największych ilościach (8%). Zmiana ph powoduje zmiany udziału kationów kwaśnych i zasadowych w kompleksie sorpcyjnym gleby. W glebach bardzo kwaśnych udział kwaśnych (H + i Al 3+ ) może dochodzić do 80%. Stwierdzono wysoką ujemną korelację pomiędzy wzrostem stężenia Al wymiennego w glebie a obniżeniem się jej ph. Drugim ważnym metalem, który uruchamia się do formy mobilnej przy niskich wartościach ph jest mangan. Przy wartości ph około 5 ilości glinu wymiennego są większe niż manganu, a najmniejsze ilości Al stwierdza się dla ph = 6, zaś aktywnych form Mn dla ph = 7. 5

6 Glin wymienny Wpływ wieloletniego nawożenia na zakwaszenie gleby (0-30 cm) Nasycony jonami wodorowymi KS staje się coraz mniej stabilny. Osiągając ph<5,5 jest tak labilny, że związane z nim silnie jony glinu, wchodzące w skład siatki krystalicznej koloidów glebowych, uwalniają się i przenikają do r-ru glebowego jako glin wymienny. W glebach bardzo kwaśnych ponad 50% pojemności sorpcyjnej może być wysycona Al3+. W efekcie ujawnia się toksyczne działanie tego pierwiastka ograniczające rozwój roślin. Objawem zatrucia roślin glinem jest zahamowanie wzrostu korzeni oraz ich grubienie. Skutkiem tego jest pogorszenie zaopatrzenia roślin w wodę i składniki pokarmowe. Nawożenie Kwasowość Kwasowość hydrolityczna wymienna mmol(h+)/kg gleby Udział H wymiennego w kwasowości hydrolitycznej Bez nawożenia 24,1 5,3 22,0 Gnojowica 30,0 5,7 19,0 Obornik 22,5 3,3 14,6 NPK mineralne 34,5 8,4 24,3 Odczyn gnojowicy ph 6,8-7,2, jednak coroczne jej stosowanie zakwasza gleby. Powodują to uwalniające się jony (kationy wodorowe). Hh mmol/kg s.m. gleby gleba płowa 40 t/ha 27,4 21,07 70 t/ha 28,2 22,4 gleba brunatna Fertilizer treatments ph KCl Soil before experiment 5.29 A. Control 5.20 A.Mineral fertilization 5.09 A.FYM 5.29 A.Straw vermicompost* 5.89 A.E. Leaf vermicompost* 5.57 A.Biological sludge 5.48 A.Chemical deposit 5.41 Wpływ wieloletniego nawożenia na zawartość ruchomego glinu i aktywnego manganu w glebie (mg/kg) Fertiliser treatments PH Hydrolitic Organic Total Acidity carbon nitrogen mmol(+). kg -1 g. kg -1 g. kg -1 H 2 O 1mol KCl. dm -3 No fertilisation Mineral fertilisation FYM Sludge Vermicompost (sludge + sawdust) Vermicompost (sludge + cardboard) Vermikompost (sludge + straw) Zawartość ruchomego Al Zawartość aktywnego Mn Nawożenie 0-30 cm cm 0-30 cm cm Bez nawożenia 29,9 19,1 10,5 8,80 Gnojowica 39,9 22,2 18,2 18,1 Obornik 23,0 12,1 14,1 12,1 NPK mineralne 37,9 30,1 21,2 15,2 LSD (p<0.05)

7 Wartości ph są również głównym czynnikiem decydującym o sile wiązania metali ciężkich przez substancję organiczną i mineralną. ph Metal 2,5 3,5 4,5 6,0 7,0 Cd Cu Ni Adsorpcja specyficzna jonów molibdenianowych, fosforanowych i siarczanowych maleje wraz ze wzrostem wartości ph. Ich unieruchamianie zachodzi zaś głównie w środowisku kwaśnym. Mobilność anionów krzemianowych i fluorkowych jest stosunkowo duża zarówno przy niskich jak i wysokich wartościach ph. Unieruchomieniu ulegają tylko przy wąskiej, specyficznej wartości odczynu. Pb Zn W miarę postępującego zakwaszania gleby jony H+ zawarte w roztworze glebowym wchodzą do kompleksu sorpcyjnego gleby, wypierając z niego znajdujące się tam jony Ca2+, Mg2+, K+, Na+. H+ KS Ca2+ + 2H+ KS + Ca2+ H+ Gleby o odczynie bardzo kwaśnym, uznać należy za chemicznie zdegradowane. Zakwaszenie przyśpiesza wiele procesów, których następstwem jest zubożenie gleb w jony zasadowe (wapń, magnez i potas) oraz uwolnienie składników szkodliwych dla roślin (glin, mangan), a także wzrost mobilności i dostępności dla roślin metali ciężkich. Poniższe zestawienie pozwoli nam zorientować się o zasobności gleby w wapń i azot: Przykładowe rośliny wskaźnikowe dla gleb: Ubogich w wapń Kwaśnych Ubogich w azot Przeciwdziałanie zakwaszeniu gleb polega na ich systematycznym wapnowa (w praktyce co 4 lata). Aby utrzymać na obecnym poziomie żyzność gleb uprawnych Polski, niezbędne jest systematyczne wapnowanie użytków rolnych odpowiednio wysokimi dawkami (średnio 200 kg CaO/ha/rok 50 warmińsko-mazurskie, śląskie). rumian polny borówka brusznica fiołek polny borówka czernica pięciornik srebrny żurawina zwyczajna fiołek trójbarwny szczaw polny wrzos pospolity wrzos pospolity czerwiec roczny fiołek trójbarwny maruna bezwonna koniczyna polna chaber bławatek mech torfowiec Bogatych w wapń Zasadowych Bogatych w azot blekot pospolity jaskier polny pokrzywa zwyczajna gorczyca polna pokrzywa żegawka gwiazdnica pospolita tobołki polne serdecznik pospolity szałwia łąkowa ostrożeń polny babka zwyczajna szarłat szorstki jasnota biała lucerna sierpowata rdest ostrogorzki oset zwisły 7

8 System gleba-roślina Składnik pokarmowy Stała faza gleby części nadziemne roślin 1. Desorpcja lub rozpuszczanie z fazy stałej 2. Dyfuzja lub przepływ przez roztwór 3. Sorpcja i strącanie na powierzchni korzeni 4. Absorpcja jonu przez korzenie 5. Translokacja jonu w roślinie Decydują o mobilności jonu, zależy od ph Decyduje potencjał redox rizosfery Zależy od formy pobranego pierwiastka, a ta od ph 8