Flora Debowski

Kwasowość gleby

Kwasowość gleby jest jednym najważniejszych parametrów charakteryzujących właściwości gleby i jej właściwości zależą kształtujące ich wartość i przydatność do produkcji roślinnej. Kwasowość jest jedną z najbardziej istotnych właściwości gleb decydujących o przebiegu wielu procesów glebowych, przez co wpływa ona bezpośrednio i pośrednio na przemiany materii oraz przyswajalność składników pokarmowych i rozwój żywych organizmów, w tym plonowanie roślin uprawnych (Blake i in. 1999, Kaczor i Kozłowska 2000, Filipek i Skowrońska 2009). Z chemicznego punktu widzenia, kwasowość gleby wyraża zawartość w niej wodoru kwasowego (tj. kationów hydroniowych).

W praktyce, faktyczną postać wodoru kwasowego zastępuje się potocznym i uniwersalnym pojęciem kationu wodorowego. Kation wodorowy nagromadzony jest w glebie zarówno w fazie stałej gleby i występuje w roztworze glebowym. W fazie stałej gleby kation wodorowy utrzymywany jest różnymi siłami. Najsłabsze z nich to oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy różnoimiennymi ładunkami elementarnymi kationu wodorowego i ujemnymi ładunkami zgromadzonymi na powierzchni fazy stałej gleby. Najbardziej rozdrobniona cześć fazy stałej gleby posiadająca na swojej powierzchni resztkowy, elementarny ładunek ujemny stanowi kompleks sorpcyjny gleby. Tworzą go koloidy mineralne (głównie wtórne minerały ilaste) i organiczne (glebowa materia organiczna, a przede wszystkim próchnica glebowa).

Pochodzenie tego ładunku na koloidach mineralnych i organicznych jest różne. W przypadku koloidów mineralnych jest to przeważnie resztkowy ładunek ujemny atomów tlenu i grup wodorotlenowych towarzyszących atomom krzemu i glinu w siatkach krystalicznych minerałów występujący na krawędziach, powierzchniach zewnętrznych i wewnętrznych pakietów minerałów oraz silny ładunek ujemny powstający w wyniku izomorficznej zamiany atomów o wyższej wartościowości atomami o niższej wartościowości
w siatkach krystalicznych minerałów.  Taki typ silnego ładunku ujemnego powstaje na minerałach ilastych typu 2:1 z grupy illitu. Natomiast ładunek ujemny na koloidach organicznych jest efektem dysocjacji grup karboksylowych (-COO-) i fenolowych (-O-) przyłączonych do alifatycznych i cyklicznych łańcuchów węglowych materii organicznej. Ze względu na mnogość tych grup, ilość ładunku ujemnego nagromadzonego na koloidach organicznych jest znacznie większa niż na koloidach mineralnych. Oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy ładunkami różnoimiennymi są relatywnie słabe i kształtują sorpcję jonową nazywaną sorpcją wymienną gleby. Ilość ładunku elementarnego ujemnego nagromadzonego na fazie stałej gleby jest więc odpowiedzialna tzw pojemność sorpcyjną gleby. Jest on wysycony zabsorbowanymi tam kationami. Część z nich ma charakter zasadowy (Ca2+, Mg2+). Na kompleksie sorpcyjnym zatrzymywane są również na zasadzie sorpcji wymiennej katony wodorowe. W optymalnym stanie wysycenia kompleksu sorpcyjnego jonami, kation wodorowy powinien stanowić ok. 20%. Obok kationu wodorowego zgromadzonego na kompleksie sorpcyjnym może tam występować dodatkowo kation glinu wymiennego (Al3+). Desorpcja glinu wymiennego z kompleksu sorpcyjnego do roztworu glebowego skutkuje wzrostem zawartości jonu wodorowego w glebie. Jest to spowodowane hydrolizą glinu wymiennego (czyli reakcją tego jonu z wodą) w glebie. Schematycznie można to zobrazować równaniem reakcji chemicznej:
AlCl3 + H2O = Al(OH)3 + 3 HCl

Z równania reakcji chemicznej wynika, że 1 mol Al3+ jest źródłem 3 moli H+. Dlatego znaczenie jonu glinu wymiennego w tworzeniu tzw. kwasowości wymiennej gleby jest znacznie większa niż kationu wodorowego utrzymywanego w glebie na zasadzie sorpcji wymiennej. Glin wymienny w glebie pojawia się w dużych ilościach w efekcie jej znacznego zakwaszenia (pHKCl <5,5). W tych warunkach rozpuszczeniu ulegają sole glinu i wzrasta intensywność wietrzenia minerałów uwalniających ten jon do gleby w znacznych ilościach. Oznacza to, że jon Al3+ jest zarówno skutkiem, ale również i przyczyną dalszego silnego zakwaszenia gleby. Ponieważ jak wykazano znaczne ilości Al3+ pojawiają się w glebie w wyniku jej zakwaszenia, kwasowość wymienna kształtowana w największym stopniu przez glin wymienny narasta wraz z zakwaszeniem gleby, a na glebach obojętnych, a zwłaszcza zasadowych – nie występuje (ponieważ w glebach tych glin występuje w postaci nierozpuszczalnych w wodzie soli i wodorotlenków glinu). Znacznie więcej kationu wodorowego w glebie utrzymywana jest większymi siłami niż oddziaływania elektrostatyczne. Są to przede wszystkim wiązania chemiczne. Ilość tej frakcji wodoru w glebie można zmierzyć działając na glebę roztworami soli hydrolizujących zasadowo (np. CH3COONa, (CH3COO)2Ca). Ten kation wodorowy tworzy tzw. kwasowość hydrolityczną. Łącznie kationy wodorowe tworzące kwasowość wymienną i hydrolityczna kształtują wielkość kwasowości potencjalnej. Kwasowość potencjalną stanowią więc kationy wodorowe utrzymywane na fazie stałej gleby, mogące potencjalnie przechodzić do roztworu glebowego. Ponieważ stężenie kationu wodorowego zgromadzonego na fazie stałej gleby pozostaje w równowadze dynamicznej ze stężeniem tego jonu w roztworze glebowym, dlatego ilość H+ występująca w roztworze (tworząca kwasowość aktualną lub czynną gleby) jest wyrazem ogólnego stanu zakwaszenia gleby. W tym sensie kwasowość gleby jest ściśle powiązana z pojęciem odczyny gleby. Odczyn gleby jest jej właściwością chemiczną wyrażającą ilościową relację przeciwstawnych jonów H+ i OH- występujących w roztworze glebowym. Miarą odczynu gleby jest pH gleby. Stężenie kationu wodorowego w roztworze waha się w szerokich granicach od 10-14 do 10-1. Dlatego w ocenie odczynu roztworu przyjęto skalę logarytmiczną. Wówczas przy najmniejszym z możliwych stężeń H+ w roztworze uzyskuje się pH 14, a przy najwyższym (10-1) – pH1. Można przyjąć, że odczyn gleby jest miernikiem (wyrazem) kwasowości gleby (stanu jej zakwaszenia). W wypadku przewagi jonów wodorowych w roztworze glebowym mamy do czynienia z glebą kwaśną, w sytuacji odwrotnej – przy przewadze jonów wodorotlenowych – z glebą zasadową, względna równowaga stężeń obydwu rodzajów jonów decyduje o obojętnym odczynie gleby.

Przedstawiona interpretacja odczynu roztworów wodnych substancji i przypisane wartości pH nie znajdują bezpośredniego zastosowania przy ocenie odczynu gleby. Ponieważ reakcja roślin na różną koncentrację H+ w roztworze glebowym przy pH<7, dlatego aby wyrazić ten wpływ wydzielono klasy odczynu gleby: silnie kwaśny, kwaśny, słabo kwaśny, obojętny i zasadowy. Pomiar pH gleb można zrealizować w zawiesinie wodnej gleby i w roztworze 1Mol KCl. W praktyce rolniczej, pHKCl ma bardziej praktyczne znaczenie niż pomiar w zawiesinie wodnej. pH gleby zmienia się bowiem w trakcie okresu wegetacji ze względu na pobranie jonów przez rośliny, chemizm gleby, temperaturę i zmiany w jej uwilgotnieniu. Wykorzystując roztwór soli obojętnej (przy proporcji roztwór : gleba = 2,5:1) wymuszana jest częściowa desorpcja kationu wodorowego z gleby do roztworu glebowego.

Skutkuje to obniżeniem wartości pomierzonego pH nawet o 1 jednostkę pH w stosunku do wyniku pomiaru w zawiesinie wodnej gleb kwaśnych i silnie kwaśnych. Eliminuje to wpływ czynników glebowych, agrotechnicznych i atmosferycznych na wyniki pomiarów, a przede wszystkim daje obraz faktycznego stanu zakwaszenia gleby i jego wpływu na rosnące na polu rośliny: Odczyn gleby zasadowy pH>7,2
Odczyn gleby obojętny 6,6-7,2 pH
Odczyn gleby słabo kwaśny 5,6-6,5
Odczyn gleby kwaśny 4,5-5,5
Odczyn gleby silnie kwaśny <4,5