R O C Z N IK I G L E B O Z N A W C Z E, T. X X X I, N R 3/4, W A R S Z A W A 1980 JA N G L IŃ S K I, Z O F IA S T Ę P N IE W S K A ZA LEŻNOŚĆ ph GLEB OD Z M IA N STĘ ŻE N IA TLE N U Zakład A grofizyk i P A N w Lublinie Praw idłow y rozwój systemu korzeniowego niektórych roślin uprawnych wymaga obecności co najmniej 1 0 /o 0 2 w fazie gazowej gleby [6 ]. Badania składu powietrza glebowego wykazują często niską zawartość tlenu, nierzadko sięgającą nawet 0% 0 2 [2, 4, 5, 6]. Brak tlenu powoduje włączenie do procesu oddychania innych akceptorów elektronów obecnych w glebie, jak N O, M n 0 2 Fe20 3 SO, P O 3. Procesom tym towarzyszy szybki rozkład substancji organicznej [9] i zmiana odczynu gleb y [3, 8 ]. Przemiany zachodzące w glebach zalanych wodą były przedmiotem licznych badań. W ykazały one alkalizo\vanie się gleb kwaśnych i zakwaszanie alkalicznych wraz z upływem czasu zalania gleb. W doświadczeniach Ponnamperumy [7, 8 ] wartości ph zbliżały się asymptotycznie do 6,5. Wartość tę osiągały gleby na ogół po kilku tygodniach zalania wodą. Zmianę wartości ph Ponnamperuma [8 ] wiąże z ciśnieniem parcjalnym C 0 2, kumulującego się w procesie oddychania. Ustalił też równanie empiryczne, wiążące wartość ph z ciśnieniem parcjalnym C 0 2: PH = 6, 1 0,58 lg Pco2* Brak wiadomości o procesach chemicznych w glebach naszej strefy klimatycznej, wywołanych niedoborem tlenu, w zakresie wilgotności odpowiadającej wodzie łatw o dostępnej dla roślin, był podstawą do podjęcia niniejszej pracy. M A T E R IA Ł I M E TO D Y Zbadano 5 gleb zróżnicowanych pod względem właściwości (tab. 1). B yły to: gleba brunatna lessowa (Łopatiki), gleba brunatna gliniasta {Pułki), czarnoziem (Hrubieszów), rędzina (Bezek) i czarna ziemia (Kock). Próbki pobrane jesienią 1977 r. z warstw y ornej po wysuszeniu na powietrzu przesiano przez sito 3 mm i luźno usypano w cylinderki z PCV o wymiarach: 4 cm wysokość i 5 cm średnica, o dnach z tkaniny nylonowej. Postawiono je na podsiąk kapilarny, następnie umieszczono na kaolinowych płytach ssących 100, 200, 300, 500 i 1000 hpa. P o usta-
Gleba - S o il Brunatna lessowa Brown lo ess Brunatna g lin ia s t a Brown loamy Czarnoziem Chernozem Rędzina Rendzina Czarna ziemia Black earth Skład mechaniczny Procent f r a k c ji Mechanical composition dt Л-Г ^ МЛЛ4*-Î Л 1-0,1 mm 0,1-0,0 2 mm ^ 0,02 mm Charakterystyka gleb - C h aracteristics of s o ils Próchnica Humus % ph H2 KC1 H h y d r o lityczny H y d ro litic acid me/100 g СаС03 S C.E.C. % me/100 g mg/100 g N03 całk o w ity t o t a l mg/100 g Un Tabela 1 ł a t v/o redukujący s ię e a s ily r e duc. mg/100 g 11 53 36 1,66 6,2 5,3 3,22-5,43 4,6 12,9 2,4 2,89 46 23 31 1,74 7,2 6,8 0,95-8,68 4,1 36,3 3,4 3,61 4 49 47 3,30 5,5 5,2 4,03-14,77 6,3 26,9 3,1 4,21 31 9 60 2,80 7,8 6,9-20 - 3,4 6,9 0,96 2,02 38 25 37 2,12 7,4 6,6 0,95 13,61 4,9 6,5 1.5 3,06 Ре całk o wite T o ta l Ре g/100 g 238 J- Gliński, Z. Stępniewska
Chemia gleby 239 Rys. 1. Schemat zestawu doświadczalnego 1 układ m ies za ją c y azot i p o w ie trze, 2 w lo t g a z ó w do k o m ó r, 3 klosz, 4 c y lin d ry w y p e łn io n e gleb ą o u stalon ej w ilg o tn o ś c i, 5 w oda u szczeln ia jąca układ, 6 w y lo t gazów, 7 płu czk a z 10 -procen tow ym p iro g a llo tem, 8 rzu t z g ó r y na k o m o rę in k u b a cyjn ą z c y lin - d e rk a m i o ssaniu (h P a ): a 100, b 200, с 300, d 500, e 1000 Scheme of the experim ental set 1 m a x in g d e v ic e fo r n itro g en and air, 2 gas in let, 3 bow l, 4 cylin d ers fille d w ith soil! at a g iv e n m oistu re, 5 w a te r sead lin g the set, 6 gas o u tlet, 7 w ash er w ith 10% p y r o - g a llo l, 8 d o w n h ill p ro je c tio n o f the in cu b ation ch am ber w ith cy lin d ers at the suction (h P a ): a 100, b 200, с 300, d 500, e 1000 leniu się ciśnienia ssącego, co kontrolowano tensjometrem, cylindry po 15 sztuk ustawiono w komorach in'kubacyjnych (5 kombinacji 0 2X 3 powtórzenia). Przez komory (rys. 1) przepuszczono nawilżone mieszanki powierza z azotem, zawierające: 2,5, 5, 10 i 21% 0 2 oraz 0% 0 2, uzyskane przez usunięcie resztek tlenu z azotu technicznego w płuczce zawierającej dziesięcioprocentowy roztwór pirogallolu. Inkubację próbek glebowych prowadzono 21 dni, wykonując pomiary potencjału redoks (Eh) i ph gleb w cylindrach po upływie 0, 3, 5,. 8, 11, 16 i 21 dni. Eh mierzono elektrodą platynową igłową o średnicy 0,5 mm i długości 4 mm, w obudowie plastykowej, wobec elektrody kalomelowej. Pom iary ph wykonano in situ, umieszczając elektrodę szklaną i kalomelową bezpośrednio w próbce glebowej według opisu podanego przez Jatonai Gallusera (1]. Miernikiem potencjału był Ionoanalyzer firm y Orion o oporze wewnętrznym 1013 Wartości potencjału w zględem elektrody kalomelowej przeliczano na Eh zgodnie z równaniem: E h = En ek+ 247, gdzie 247 potencjał elektrody kalomelowej w zględem elektrody wodorowej. O M Ó W IE N IE W Y N IK Ó W Warunki ograniczonego natlenienia w yw ołały w czasie inkubacji w badanych glebach obniżenie Eh o 96 do 160 mv, zależnie od gleby (tab. 2). Na wartość tego obniżenia składa się łączne oddziaływanie dwóch czynników: wilgotności i braku tlenu w powietrzu glebowym. Obniżeniu Eh towarzyszy zmiany odczynu badanych gleb. K ierunek zmian ph w czasie inkubacji był zależny od wartości wyjściowej ph. W glebach o odczynie kwaśnym (czarnoziem,,gleba brunatna lesso-
240 J. Gliński, Z. Stępniewska Tabela 2 Zcian;/ Eh w czasie 21 ani in k u b a c ji g le b Change3 o f Eh during 21 day3 of s o il incubation Gleba - S o il Zakres Eh - mv Range o f Eh ^ mv Różnica - mv D iffe re n c e - mv Brunatna lessowa Brown lo e s s s o i l Brunatna g lin ia s t a Brown loamy s o i l Czarnoziem Chernozem Rędzina RendzIna Czarna ziem ia Black earth 504-344 - 160 497-354 - 143 559-427 - 132 473-341 - 132 479-383 - 96 Tabela 3 ph g le b oznaczone różnymi metodami ph of s o ils determined by d iffere n t methods Gleba - S o il Pomiar in s itu Measurement in s itu Pomiar w 21% 2 0% 2 roztworze 1000 hpa 100 hpa 1000 hpa I 100 hpa H2 * Measurement in v/ater solu tio n Czarnoziem Chernozem Brunatna lessowa Brown lo e s s s o i l Bnuiatna g lin ia s t a Brown loamy so il Czarna ziemia Black earth Rędzina Rendzina 5,4 5,2 5,8 5,9 5,5 6,2 6,0 7,3 8,0 6,2 7,3 7,1 7,6 8,0 7,2 7,2 7,1 7,6 7,7 7,4 8,3 8,7 7,2 7,4 7,8 x Gleba : HgO = 1: 2, 5 S o il t H20 = 1:2«5 wa) i obojętnym (czarna ziemia, gleba brunatna gliniasta) następował wzrost ph w miarę zmniejszającego się stężenia tlenu w powietrzu glebowym. W rędzinie natomiast, w wyniku niedotlenienia, obserwowano obniżenie ph (rys. 2). Wartości ph gleb dobrze natlenionych ( 2 1 i 10% 0 2) w zasadzie nie zależą od wilgotności. Zróżnicowanie ph wielkością siły ssącej gleby następuje poniżej 5% 0 2 (rys. 3). Pom iary ph in situ przy natlenieniu 21 i 0% 0 2 dla skrajnych war-
Chemia gleby 241 Rys. 2. Kierunek zmian ph w zależności od stężenia tlenu glebowego A gleba brun atn a lessowa, В g leb a brun atn a gliniasta, С czarnoziem, D rędzina, E czarna ziem ia Line of ph changes in relation to oxygen concentration in soil A loess bro w n soil, В loam y b ro w n soil, С chernozem, D rendzina, E black earth tości ssań 100 i 1000 hpa oraz wartości ph oznaczonych metodą tradycyjną w zawiesinie glebowej (gleba: H 20 = 1 : 2,5) wykazują również różnice spowodowane warunkami pomiaru (tab. 3). Tradycyjny pomiar ph w zawiesinie glebowej, w której odczytu potencjału dokonuje się po 18 godzinach od chwili zalania gleby wodą, odnosi się do warunków ograniczonego natlenienia. Wysuszenie na powietrzu próbek glebowych, mogących znajdować się uprzednio w stanie zredukowanym, powoduje ich utlenienie. Pom iar ph wykonany zatem w zawiesinie glebowej nie oddaje kwasowości, jaką posiadała gleba w określonych warunkach polowych. Porównując wartości ph in situ przy 21% i 0% 0 2 można stwierdzić, że odczyn gleby jest wielkością dynamiczną, ulegającą zmianom pod wpływ em wilgotności i stanu natlenienia gleby. Do opisu odczynu gleby w funkcji czasu t, stężenia tlenu с i siły ssącej s zastosowano metodę regresji krzyw oliniowej wielokrotnej. W y brano dwa typy równań regresji: potęgowe ph = B 0 t B 1 с B 2 s B 3 i wykładnicze p H = B 0 *B*. B B. Przeprowadzono testowanie istotności współczynników regresji przy poziomie istotności 0,05. Na podstawie współczynnika determinacji wybrano model najlepiej opisujące dane doświadczenie. Dla czterech badanych gleb: brunatna lessowa (1), brunatna gliniasta (2), czarnoziem (3), czarna ziemia (4), wyższe współczynniki korelacji wielokrotnej (R) wystąpiły przy opisie zależności funkcją wykładniczą: (1) lg ph = 0,84+l,9. 10-4 -2,2. 10 4-1,7 8 10" 5 R = 0,75
242 J. Gliński, Z. Stępniewska 'Rys. 3. Końcowe wartości ph gleb w funkcji stężenia tlenu i ssania ob jaśn ien ia ja k w rys. 2 Final values of ph of soils as a function of oxygen concentration and suction ex p la n a tion s as in F ig. 2
Chemia gleby 243 (2) lg ph = 0,86 + l,14. 10 3-1,86. 10 7 4 ~4,03. 10 6 R = 0,68 (3) lg ph = 0,73 + 1,37. 10- t 3-7,8 6-1 0 74+4,78 10 7 R = 0,63 (4) lg ph = 0,86 + 6,12. 10 4-6,73. 10-4 -7,1 10 7 R = 0,54 Dla rędziny zaś lepszym modelem okazał się typ potęgowy: lg ph = = 0,91-0,095 lg t+ 0,00075 lg с -0,0025 lg s R = 0,68 W N IO S K I 1. Stopień natlenienia i wilgotność gleb wpływały na wartość Eh i ph. 2. Całkowity bra'k tlenu trwający 2 1 dni wywował obniżenie Eh o 96-160 mv oraz wzrost ph w glebie brunatnej lessowej i gliniastej, czarnoziemie i czarnej ziemi odpowiednio o 2, 0,9, 0,8 i 0,6 jednostki oraz spadek ph o 1,3 jednostki w rędzinie. 3. Równania regresji krzyw oliniowej typu potęgowego i wykładniczego w funkcji czasu, stężenia tlenu i ssania zadowalająco opisują wartość ph gleby. L IT E R A T U R A {1] J a t o n J. F., Gallus ser A.: Etude des profils de ph et de potentiel d oxydo-reduction de sols hydromorphes calciques. Communication presentes le 4 mars a la Société Suisse de Pedologie, 1977. [2] Nikołaj e wa U. N.: Wozdusznyj reżim dierno-podzolistych poczw. Nauczn. Trudy Izd. Kołos. Moskwa 1970, s. 160. [3] Patrick W. H., Williams B. G., Moraghan J. T.: A simple system for controlling redox potential and ph in soil suspension. Soil Sei. Soc. Am. Proc. 37, 1973, 331-332. [4] Patrick W. H., Turner F. T., De la une R. D.: Soil oxygen content and root developm ent of sugar cane. Luisiana State Univ. Bulletin No. 641, 1969, 3-19. [5] Patrick W. H.: Oxygen content of soil air by a field method. Soil Sei. Soc. Am. J. 41, 1977, 3, 651-652. [61 Patrick W. H., Dela une R. D., Engl er R. N.: Soil oxygen content and root developm ent of cotton in Missisipi river allu vial soils. Luisiana State Univ., Bulletin No. 673, 1973, 3-27. [71 P o nnamperuma F. N.: The chemistry of submerged soils. Advanc. in Agronom y 24, 1972, 29-96. [8] P o nnamperuma F. N., Castro R. U.: Redox systems in submerged sous. Trans. 8th Inter. Congr. Soil Sei. Bucharest 3, 1964. 379-386. [9] Reddy K. R., Patrick W. H.: E ffect of frequent changes in aerobic and anaerobic conditions on redox potential and nitrogen loss in a flooded soil. Soil Biol. Biochem. 8, 1976, 491-495.
244 J. Gliński, Z. Stępniewska Я. ГЛ И Н С К И, 3. С ТЕ М П Н Е В С К А ЗА В И С И М О С ТЬ ph П О Ч В Ы ОТ ИЗМ ЕН ЕН И Й К О Н Ц Е Н Т Р А Ц И И К И С Л О Р О Д А ОТДЕЛЕНИЕ А Г Р О Ф И З И К И П О Л Ь С К О Й А К А Д Е М И И Н А У К В Л Ю БЛИНЕ Резюме Ц ель исследований состояла в определении зависимости между изменениями концентрации кислорода в почвенном воздухе, и реакцией почвы (ph). Исследования провели в модельных условиях на пяти почвах (бурая почва образованная из лесса, бурая почва с механическим составом тяж елой глины, рендзина, чернозем, черная земля). Свободно насыпанные образцы из гумусных горизонтов этих почв, просеянные сквозь сито 5 мм с установленной сосущей силой 100, 200, 300, 500 и 1000 hpa, инкубировали 21 день в камерах при постоянном протекании смеси кислорода с азотом, содержащей соответственно 0, 2,5, 5, 10, 21% 02. Измерения ph проводили периодически, помещая электроды непосредственно в исследуемой почве (измерение in situ). Обнаружили дифференциацию ph в зависимости от степени снабжения кислородом, максимально на две единицы. Направление изменений ph зависело от исследуемых почв. Во время анаэробной инкубации ph почв с кислой реакцией (чернозем, бурая глинистая почва, бурая лессовая почва, черная земля) возрастало, в случае же рендзины понижалось. J. G L IŃ S K I, Z. S T Ę P N IE W S K A TH E R E L A T IO N S H IP BETW EEN TH E ph OF TH E S O IL A N D CH ANG ES IN TH E O X Y G E N C O N C E N T R A T IO N Institute of Agrophysic of Polish Academ y of Science in Lublin Summary The aim of the investigation was to determine the relationship between the soil reaction [ph] and the changes of the oxygen concentration in soil air. The investigation was carried out under model conditions on fiv e soil types (brown soil developed from loess, brown soil of the mechanical composition of heavy loam, rendzina, chernozem, black earth). Loosely piled samples from the humus horizons of these soils, sifted through a 5 mm sieve and having their suction force at 100, 200, 300, 500 and 1000 hpa. w ere incubated for 21 days in chambers w ith a constant through-flow of a m ixture of oxygen and nitrogen containing 0, 2.5, 5,10, and 21% of 0 2, respectively. The ph measurements were taken periodically by placing electrodes directly in the soil examined (in situ measurement). A differentiation of the ph of soil has been noted in relation to the oxygenation, m aximum differentiation being by two units. The line of ph changes depended on the soil examined. During the oxygen-less incubation the ph of soils of an acid reaction (chernozem, loam y brown soil, loess brown soil, and black earth) increased, decreasing in case of rendzina. Prof. dr hab. Jan Gliński Zakład Agrofizyki P A N Lublin, ul. Przemysłowa 7