pH gleby - Soil pH

Globalna zmienność pH gleby. Czerwony = gleba kwaśna. Żółty = gleba neutralna. Niebieski = gleba zasadowa. Czarny = brak danych.

pH gleby jest miarą kwasowości lub zasadowości (zasadowości) gleby . pH gleby jest kluczową cechą, którą można wykorzystać do przeprowadzenia analizy informacyjnej, zarówno jakościowej, jak i ilościowej, dotyczącej cech gleby. Wartość pH określa się jako ujemny logarytm (podstawa 10) z aktywnością od hydroniowych jonów ( H⁺
a dokładniej H
₃O⁺
_aq) w roztworze . W glebach mierzy się go w zawiesinie gleby zmieszanej z wodą (lub roztworem soli, takim jak0,01  M  CaCl2
₂) i zwykle mieści się w przedziale od 3 do 10, przy czym 7 jest neutralne. Gleby kwaśne mają pH poniżej 7, a zasadowe powyżej 7. Gleby ultrakwaśne (pH < 3,5) i bardzo silnie zasadowe (pH > 9) są rzadkością.

pH gleby jest uważane za zmienną główną w glebie, ponieważ wpływa na wiele procesów chemicznych. W szczególności wpływa na dostępność składników odżywczych dla roślin , kontrolując formy chemiczne różnych składników odżywczych i wpływając na reakcje chemiczne, którym przechodzą. Optymalny zakres pH dla większości roślin wynosi od 5,5 do 7,5; jednak wiele roślin przystosowało się do rozwoju przy wartościach pH poza tym zakresem.

Klasyfikacja zakresów pH gleby

Służba Ochrony Zasobów Naturalnych Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych klasyfikuje zakresy pH gleby w następujący sposób:

Oznaczanie pH

Metody określania pH obejmują:

• Obserwacja profilu glebowego: Niektóre cechy profilu mogą być wskaźnikami warunków kwaśnych, zasolonych lub sodowych. Przykładami są:
  • Słabe wbudowanie organicznej warstwy powierzchniowej z leżącą pod nią warstwą mineralną – może to wskazywać na silnie kwaśne gleby;
  • Klasyczny bielicowe sekwencja horyzont, ponieważ bielicowych silnie kwasowe: w tych glebach blado eluvial (E) mieści się horyzont w organicznej warstwie powierzchniowej i pokrywa Horizon ciemny B;
  • Obecność warstwy caliche wskazuje na obecność węglanów wapnia, które występują w warunkach alkalicznych;
  • Struktura kolumnowa może być wskaźnikiem stanu sodowego.
• Obserwacja przeważającej flory. Do roślin wapiennych (które preferują kwaśne gleby) należą Erica , Rhododendron i prawie wszystkie inne gatunki Ericaceae , wiele brzóz ( Betula ), naparstnicy ( Digitalis ), kolcolist ( Ulex spp.) i sosny zwyczajnej ( Pinus sylvestris ). Do roślin wapiennych ( lubiących lipy) należą jesiony ( Fraxinus spp.), wiciokrzew ( Lonicera ), Buddleja , derenie ( Cornus spp.), bzy ( Syringa ) i gatunki Clematis .
• Zastosowanie niedrogiego zestawu do badania pH, w którym w małej próbce gleby miesza się roztwór wskaźnika , który zmienia kolor w zależności od kwasowości.
• Użycie papierka lakmusowego . Małą próbkę gleby miesza się z wodą destylowaną, do której wkłada się pasek papierka lakmusowego . Jeśli gleba jest kwaśna, papier staje się czerwony, jeśli zasadowy, niebieski.
• Niektóre inne pigmenty owocowe i warzywne również zmieniają kolor w odpowiedzi na zmianę pH. Jagodowe obrotów bardziej czerwony, gdy dodaje się kwas i staje indygo jeśli miareczkowano wystarczające podstawy do uzyskania wysokiego pH soku. Podobnie wpływa na kapustę czerwoną .
• Zastosowanie dostępnego w handlu elektronicznego pehametru , w którym elektrodę szklaną lub półprzewodnikową umieszcza się w wilgotnej glebie lub mieszaninie (zawiesinie) gleby i wody; pH jest zwykle odczytywane na cyfrowym ekranie wyświetlacza.
• Ostatnio opracowano metody spektrofotometryczne pomiaru pH gleby, polegające na dodaniu do ekstraktu gleby barwnika wskaźnikowego. Porównywały się one dobrze z pomiarami za pomocą elektrody szklanej, ale oferują znaczne korzyści, takie jak brak dryftu, efekty połączenia cieczy i zawiesiny

Do badań naukowych i monitoringu potrzebne są precyzyjne, powtarzalne pomiary pH gleby. Na ogół wiąże się to z analizą laboratoryjną przy użyciu standardowego protokołu; przykładem takiego protokołu jest podręcznik USDA Soil Survey Field and Laboratory Methods Manual. W tym dokumencie trzystronicowy protokół pomiaru pH gleby zawiera następujące sekcje: Aplikacja; Podsumowanie metody; Zakłócenia; Bezpieczeństwo; Ekwipunek; odczynniki; i Procedura.

Podsumowanie metody

pH mierzy się w roztworach gleba-woda (1:1) i gleba-sól (1:2 ). Dla wygody pH jest początkowo mierzone w wodzie, a następnie mierzone w . Po dodaniu równej objętości 0,02 M do zawiesiny gleby przygotowanej dla pH wody, końcowy stosunek gleby do roztworu wynosi 1:2 0,01 M . 20-g próbkę gleby miesza się z 20 ml wody odwróconej osmozy (RO) (1:1 wag.:obj.), od czasu do czasu mieszając. Próbkę odstawia się na 1 godzinę, od czasu do czasu mieszając. Próbkę miesza się przez 30 s i mierzy się pH wody 1:1. Do zawiesiny gleby dodaje się 0,02 M (20 ml), próbkę miesza się i mierzy się 1:2 0,01 M pH (4C1a2a2). ${\ Displaystyle {\ ce {CaCl2}}}$${\ Displaystyle {\ ce {CaCl2}}}$${\ Displaystyle {\ ce {CaCl2}}}$${\ Displaystyle {\ ce {CaCl2}}}$
${\ Displaystyle {\ ce {CaCl2}}}$${\ Displaystyle {\ ce {CaCl2}}}$

— Podsumowanie metody USDA NRCS oznaczania pH gleby

Czynniki wpływające na pH gleby

Wartość pH gleby naturalnej zależy od składu mineralnego materiału macierzystego gleby i reakcji wietrzenia, którym podlega ten materiał macierzysty. W ciepłych, wilgotnych środowiskach zakwaszenie gleby następuje z czasem, ponieważ produkty wietrzenia są wypłukiwane przez wodę przemieszczającą się bocznie lub w dół przez glebę. Jednak w suchym klimacie wietrzenie gleby i wymywanie są mniej intensywne, a pH gleby jest często obojętne lub zasadowe.

Źródła kwasowości

Do zakwaszenia gleby przyczynia się wiele procesów. Obejmują one:

• Opady deszczu: Średnie opady deszczu mają pH 5,6 i są przedstawiane jako nieco bardziej kwaśne z powodu atmosferycznego dwutlenku węgla ( CO
  ₂), czyli w połączeniu z wodą tworzy kwas węglowy ( H
  ₂WSPÓŁ
  ₃), który jest kwaśny. Gdy woda ta przepływa przez glebę, powoduje wypłukiwanie kationów zasadowych z gleby w postaci wodorowęglanów; zwiększa to procent Al³⁺
  i H⁺
  w stosunku do innych kationów.
• Oddychanie korzeni i rozkład materii organicznej przez mikroorganizmy uwalnia CO
  ₂co zwiększa kwas węglowy ( H
  ₂WSPÓŁ
  ₃) koncentracja i późniejsze wymywanie.
• Wzrost roślin: Rośliny pobierają składniki odżywcze w postaci jonów (np. NO⁻
  ₃, NH⁺
  ₄, Ca²⁺
  , H
  ₂PO⁻
  ₄) i często przyjmują więcej kationów niż anionów . Jednak rośliny muszą utrzymywać w swoich korzeniach neutralny ładunek. Aby zrekompensować dodatkowy ładunek dodatni, uwolnią H⁺
  jony z korzenia. Niektóre rośliny wydzielają również kwasy organiczne do gleby, aby zakwasić strefę wokół korzeni, aby pomóc w rozpuszczeniu składników odżywczych zawierających metale, które są nierozpuszczalne przy neutralnym pH, takich jak żelazo (Fe).
• Zastosowanie nawozu: amon ( NH⁺
  ₄) nawozy reagują w glebie w procesie nitryfikacji tworząc azotany ( NO⁻
  ₃), aw wydaniu procesowym H⁺
  jony.
• Kwaśne deszcze : spalanie paliw kopalnych uwalnia do atmosfery tlenki siarki i azotu. Reagują one z wodą w atmosferze, tworząc w deszczu kwas siarkowy i azotowy.
• Wietrzenie oksydacyjne : Utlenianie niektórych minerałów pierwotnych, zwłaszcza siarczków i zawierających Fe²⁺
  , generują kwasowość. Proces ten jest często przyspieszany przez działalność człowieka:
  • Urobek kopalniany : W glebach w pobliżu niektórych urobków kopalnianych mogą tworzyć się silnie kwaśne warunki ze względu na utlenianie pirytu .
  • Gleby kwaśno-siarczanowe utworzone naturalnie w podmokłych środowiskach przybrzeżnych i przyujściowych mogą stać się silnie kwaśne podczas osuszania lub wykopywania.

Źródła alkaliczności

Ogólna zasadowość gleby wzrasta wraz z:

• Wietrzenie minerałów krzemianowych , glinokrzemianowych i węglanowych zawierających Na⁺
  , Ca²⁺
  , Mg²⁺
  i K⁺
  ;
• Dodatek do gleb minerałów krzemianowych, glinokrzemianowych i węglanowych; może to nastąpić poprzez osadzanie materiału erodowanego w innym miejscu przez wiatr lub wodę, lub przez zmieszanie gleby z mniej zwietrzałym materiałem (np. dodanie wapienia do kwaśnych gleb);
• Dodanie wody zawierającej rozpuszczone wodorowęglany (jak to ma miejsce podczas nawadniania wodami o wysokiej zawartości wodorowęglanów).

Akumulacja zasadowości w glebie (w postaci węglanów i wodorowęglanów Na, K, Ca i Mg) następuje, gdy nie ma wystarczającej ilości wody przepływającej przez glebę do wypłukiwania rozpuszczalnych soli. Może to być spowodowane suchymi warunkami lub słabym wewnętrznym drenażem gleby ; w takich sytuacjach większość wody, która dostaje się do gleby, jest transpirowana (pobierana przez rośliny) lub odparowuje, a nie przepływa przez glebę.

Odczyn gleby zwykle wzrasta wraz ze wzrostem ogólnej zasadowości , ale równowaga dodanych kationów ma również wyraźny wpływ na odczyn gleby. Na przykład, zwiększenie ilości sodu w glebie zasadowej ma tendencję do wywoływania rozpuszczania węglanu wapnia , co zwiększa pH. Gleby wapienne mogą różnić się pH od 7,0 do 9,5, w zależności od stopnia, w jakim Ca²⁺
lub Na⁺
dominują kationy rozpuszczalne.

Wpływ pH gleby na wzrost roślin

Gleby kwaśne

Rośliny uprawiane na glebach kwaśnych mogą doświadczać różnych stresów, w tym  toksyczności glinu  (Al), wodoru  (H) i/lub manganu (Mn), a także niedoborów składników odżywczych wapnia  (Ca) i magnezu  (Mg).

Toksyczność glinu jest najbardziej rozpowszechnionym problemem w glebach kwaśnych. Glin jest obecny we wszystkich glebach w różnym stopniu, ale rozpuszczony Al ³⁺ jest toksyczny dla roślin; Al ³⁺ jest najlepiej rozpuszczalny w niskim pH; powyżej pH 5,0 w większości gleb jest mało Al w postaci rozpuszczalnej. Glin nie jest składnikiem odżywczym roślin i jako taki nie jest aktywnie pobierany przez rośliny, ale biernie wnika do korzeni roślin poprzez osmozę. Aluminium może występować w wielu różnych formach i jest czynnikiem odpowiedzialnym za ograniczenie wzrostu w różnych częściach świata. Przeprowadzono badania tolerancji glinu na różnych gatunkach roślin, aby zobaczyć wartości progowe i stężenia narażone na działanie wraz z funkcją po ekspozycji. Aluminium hamuje wzrost korzeni; korzenie boczne i czubki korzeni pogrubiają się, a korzenie nie są dobrze rozgałęzione; końcówki korzeni mogą stać się brązowe. W korzeniu początkowym efektem Al ³⁺ jest zahamowanie ekspansji komórek ryzodermy , prowadzące do ich pęknięcia; następnie wiadomo, że zakłóca wiele procesów fizjologicznych, w tym pobieranie i transport wapnia i innych niezbędnych składników odżywczych, podział komórek, tworzenie ściany komórkowej i aktywność enzymatyczną.

Stres protonowy (H ⁺ jonowy) może również ograniczać wzrost roślin. Pompa protonowa, H ⁺ -ATPaza, plazmalemmy komórek korzenia działa w celu utrzymania prawie neutralnego pH ich cytoplazmy. Wysoka aktywność protonowa (pH w zakresie 3,0-4,0 dla większości gatunków roślin) w zewnętrznym podłożu wzrostowym pokonuje zdolność komórki do utrzymywania cytoplazmatycznego pH i wzrost zostaje zatrzymany.

W glebach o dużej zawartości manganu minerałów Niezawierające toksyczność Mn może stać się problemem na pH 5,6 i dolnej. Mangan, podobnie jak aluminium, staje się coraz bardziej rozpuszczalny wraz ze spadkiem pH, a objawy toksyczności Mn można zaobserwować przy poziomach pH poniżej 5,6. Mangan jest niezbędnym składnikiem odżywczym roślin, więc rośliny przenoszą Mn do liści. Klasycznymi objawami zatrucia manganem są marszczenie lub garbowanie liści.

Dostępność składników odżywczych w zależności od pH gleby

Dostępność składników odżywczych w zależności od pH gleby

pH gleby wpływa na dostępność niektórych składników pokarmowych roślin :

Jak omówiono powyżej, toksyczność glinu ma bezpośredni wpływ na wzrost roślin; jednak ograniczając wzrost korzeni, zmniejsza również dostępność składników pokarmowych dla roślin. Ponieważ korzenie ulegają uszkodzeniu, pobieranie składników pokarmowych jest zmniejszone, a niedobory makroskładników (azotu, fosforu, potasu, wapnia i magnezu) są często spotykane w glebach od bardzo silnie kwaśnych do bardzo kwaśnych (pH<5,0).

Dostępność molibdenu wzrasta przy wyższym pH; dzieje się tak, ponieważ jon molibdenianowy jest silniej sorbowany przez cząstki gliny przy niższym pH.

Cynk , żelazo , miedź i mangan wykazują zmniejszoną dostępność przy wyższym pH (zwiększona sorpcja przy wyższym pH).

Wpływ pH na dostępność fosforu jest bardzo zróżnicowany w zależności od warunków glebowych i danej uprawy. W latach 40. i 50. dominował pogląd, że dostępność P była maksymalizowana w pobliżu neutralności (pH gleby 6,5–7,5) i zmniejszała się przy wyższym i niższym pH. Interakcje fosforu z pH w zakresie od umiarkowanie do lekko kwaśnego (pH 5,5–6,5) są jednak znacznie bardziej złożone, niż sugeruje ten pogląd. Testy laboratoryjne, próby szklarniowe i próby terenowe wykazały, że wzrost pH w tym zakresie może zwiększać, zmniejszać lub nie mieć wpływu na dostępność P dla roślin.

Dostępność wody w zależności od pH gleby

Gleby silnie zasadowe są sodowe i dyspersyjne , charakteryzują się powolną infiltracją , niską przewodnością hydrauliczną i słabą pojemnością dyspozycyjną wody . Wzrost roślin jest poważnie ograniczony ze względu na słabe napowietrzanie, gdy gleba jest wilgotna; w suchych warunkach woda dostępna dla roślin szybko się wyczerpuje, a gleby stają się twarde i grudkowate (wysoka wytrzymałość gleby).

Z drugiej strony wiele silnie kwaśnych gleb charakteryzuje się silną agregacją, dobrym drenażem wewnętrznym i dobrymi właściwościami zatrzymywania wody. Jednak w przypadku wielu gatunków roślin toksyczność glinu poważnie ogranicza wzrost korzeni, a stres związany z wilgocią może wystąpić nawet wtedy, gdy gleba jest stosunkowo wilgotna.

Preferencje pH roślin

Ogólnie rzecz biorąc, różne gatunki roślin są przystosowane do gleb o różnych zakresach pH. Dla wielu gatunków odpowiedni zakres pH gleby jest dość dobrze znany. Internetowe bazy danych cech roślin, takie jak USDA PLANTS i Plants for a Future, mogą być wykorzystywane do wyszukiwania odpowiedniego zakresu pH gleby dla szerokiej gamy roślin. Można również zapoznać się z takimi dokumentami, jak wartości wskaźników Ellenberga dla zakładów brytyjskich .

Jednak roślina może nie tolerować określonego pH w niektórych glebach w wyniku określonego mechanizmu, a mechanizm ten może nie mieć zastosowania w innych glebach. Na przykład gleba uboga w molibden może nie być odpowiednia dla roślin soi przy pH 5,5, ale gleby z wystarczającą ilością molibdenu umożliwiają optymalny wzrost przy tym pH. Podobnie niektóre kalcyfusy (rośliny nietolerujące gleb o wysokim pH) mogą tolerować gleby wapienne, jeśli dostarczona jest wystarczająca ilość fosforu. Innym czynnikiem mylącym jest to, że różne odmiany tego samego gatunku często mają różne odpowiednie zakresy pH gleby. Hodowcy roślin mogą wykorzystać to do wyhodowania odmian, które tolerują warunki, które w innym przypadku uważane są za nieodpowiednie dla tego gatunku – przykładami są projekty hodowli odmian zbóż tolerujących glin i mangan do produkcji żywności na glebach silnie kwaśnych.

Poniższa tabela podaje odpowiednie zakresy pH gleby dla niektórych powszechnie uprawianych roślin, jakie można znaleźć w bazie danych USDA PLANTS . Niektóre gatunki (jak Pinus radiata i Opuntia ficus-indica ) tolerują jedynie wąski zakres pH gleby, podczas gdy inne (takie jak Vetiveria zizanioides ) tolerują bardzo szeroki zakres pH.

Zmiana pH gleby

Zwiększenie pH gleby kwaśnej

Drobno zmielone wapno rolnicze jest często stosowane na kwaśne gleby w celu zwiększenia pH gleby ( wapnowanie ). Ilość wapienia lub kredy potrzebna do zmiany pH zależy od wielkości oczek wapna (jak drobno jest zmielony) i zdolności buforowania gleby. Duży rozmiar oczek (60 mesh = 0,25 mm; 100 mesh = 0,149 mm) wskazuje na drobno zmielone wapno, które szybko zareaguje z kwasowością gleby. Zdolność buforowania gleby zależy od zawartości gliny w glebie, rodzaju gliny oraz ilości obecnej materii organicznej i może być związana ze zdolnością do wymiany kationów gleby . Gleby o wysokiej zawartości gliny będą miały wyższą zdolność buforowania niż gleby o małej zawartości gliny, a gleby o wysokiej zawartości materii organicznej będą miały wyższą zdolność buforowania niż gleby o niskiej zawartości materii organicznej. Gleby o większej pojemności buforowej wymagają większej ilości wapna, aby osiągnąć równoważną zmianę pH. Buforowanie pH gleby jest często bezpośrednio związane z ilością glinu w roztworze glebowym i zajmowaniem miejsc wymiany w ramach pojemności wymiany kationów. Glin ten można zmierzyć w badaniu gleby, w którym jest on ekstrahowany z gleby roztworem soli, a następnie określany ilościowo za pomocą analizy laboratoryjnej. Następnie, korzystając z początkowego pH gleby i zawartości glinu, można obliczyć ilość wapna potrzebną do podniesienia pH do pożądanego poziomu.

Dodatki inne niż wapno rolnicze, które można zastosować do podwyższenia pH gleby obejmują popiół drzewny, przemysłowy tlenek wapnia ( wapno palone ), tlenek magnezu , zasadowy żużel ( krzemian wapnia ) i muszle ostryg . Produkty te podnoszą pH gleb poprzez różne reakcje kwasowo-zasadowe . Krzemian wapnia neutralizuje kwasowość aktywną gleby poprzez reakcję z  jonami H ⁺ tworząc kwas monokrzemowy (H ₄ SiO ₄ ), obojętną substancję rozpuszczoną.

Obniżenie pH gleby alkalicznej

pH gleby alkalicznej można obniżyć, dodając środki zakwaszające lub kwaśne materiały organiczne. Siarka elementarna (90–99% S) była stosowana w dawkach 300–500 kg/ha (270–450 funtów/akr) – powoli utlenia się w glebie, tworząc kwas siarkowy. Nawozy zakwaszające, takie jak siarczan amonu, azotan amonu i mocznik, mogą pomóc w obniżeniu pH gleby, ponieważ amon utlenia się, tworząc kwas azotowy. Zakwaszające materiały organiczne obejmują torf lub torfowiec.

Jednak w glebach o wysokim pH z wysoką zawartością węglanu wapnia (ponad 2%), próba obniżenia pH za pomocą kwasów może być bardzo kosztowna i/lub nieskuteczna. W takich przypadkach często skuteczniejsze jest dodanie fosforu, żelaza, manganu, miedzi i/lub cynku, ponieważ niedobory tych składników odżywczych są najczęstszą przyczyną słabego wzrostu roślin w glebach wapiennych.

Zobacz też

• Odwadnianie kopalni kwasu
• Kwaśna gleba siarczanowa
• Zdolność do wymiany kationów
• Nawóz
• Wapnowanie (gleba)
• Ogrodnictwo ekologiczne
• Gradient redoks

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• „Studium potencjału wapiennego, RC Turner, Oddział Badawczy, Kanadyjski Departament Rolnictwa, 1965”