Właściwości sorpcyjne gleby

Pojęcie sorpcji w gleboznawstwie rozumiane jest bardzo szeroko jako zdolność gleby do pochłaniania i zatrzymywania cząstek stałych, wody i gazów, a zwłaszcza związków chemicznych i jonów.

O zjawiskach sorpcyjnych, zachodzących w glebie, decydują silnie zdyspergowane cząstki koloidalne, które tworzą tzw. sorpcyjny kompleks glebowy. W skład kompleksu sorpcyjnego wchodzą minerały ilaste, krystaliczne tlenki żelaza i glinu, minerały bezpostaciowe, próchnica oraz kompleksy ilasto-próchniczne. Koloidy glebowe charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią właściwą, a na niej ładunkiem elektrycznym. W glebach klimatu umiarkowanego są to przeważnie ładunki ujemne.

Chociaż różne procesy zachodzące w glebie wiążą się ze zjawiskiem sorpcji, najważniejszym wyrazem zdolności sorpcyjnych gleby jest sorpcja wymienna, która ma też największe znaczenie w odżywianiu roślin. Polega na wymianie jonów pomiędzy roztworem glebowym a kompleksem sorpcyjnym. Na miejsce jonów zasorbowanych na powierzchni koloidów glebowych wchodzi równoważna ilość jonów z roztworu glebowego – tzn. na miejsce jednego kationu dwuwartościowego z kompleksu sorpcyjnego wchodzą dwa kationy jednowartościowe itp. Ze względu na elektroujemny ładunek większości koloidów glebowych, w glebie występuje przede wszystkim sorpcja wymienna kationów. Podczas reakcji wymiany ustala się stan dynamicznej równowagi pomiędzy ilością kationów występujących w kompleksie sorpcyjnym a ilością kationów zawartych w roztworze glebowym. Oznacza to, że jeżeli roztwór zostanie wzbogacony w jakiś kation np. wskutek nawożenia, uwalniania w procesie wietrzenia minerałów lub rozkładu szczątków organicznych, to określona ilość tego kationu wejdzie do kompleksu sorpcyjnego gleby. Z kolei, jeżeli określony kation zostanie pobrany z roztworu glebowego przez korzenie roślin, wówczas odpowiednia ilość tego kationu zostanie uwolniona z kompleksu do roztworu glebowego. Najczęściej spotykanymi w glebie kationami wymiennymi są: jony wapnia Ca²⁺, jony magnezu Mg²⁺, jony potasu K⁺, jony sodu Na⁺, jony amonu NH₄⁺, jony wodoru H⁺ oraz jony glinu Al³⁺.

Zdolności sorpcyjne gleb odgrywają bardzo ważną rolę w przyrodzie. Wpływają na efektywność procesu nawożenia oraz wielkość strat dostarczanych składników na skutek ich przenikania do wód gruntowych i powierzchniowych. Kationy zasadowe, związane wymiennie w kompleksie sorpcyjnym, stanowią zasadniczą pulę składników pokarmowych, które mogą zostać pobrane przez rośliny po ich przejściu do roztworu glebowego. Właściwości te przyczyniają się również do unieszkodliwiania substancji potencjalnie toksycznych dla organizmów żywych, a także zatrzymywania wody w glebie.

Sorpcja zależy od wielu czynników, między innymi wpływa na nią rodzaj koloidu, rodzaj kationu, stężenie kationu w roztworze i odczyn gleby. Siła wiązania i energia wejścia kationów do kompleksu sorpcyjnego gleby wzrastają wraz ze wzrostem ich wartościowości i masy atomowej. Ponadto zdolność wymienna jonów bezwodnych o tej samej wartościowości zwykle wzrasta wraz ze wzrostem ich średnicy. Bardzo ważną rolę w zjawisku sorpcji odgrywa również stopień uwodnienia jonów. Energia wejścia do kompleksu sorpcyjnego jonów uwodnionych zmniejsza się wraz ze wzrostem ich średnicy. Dlaczego? Ponieważ im większa jest średnica jonów, tym słabsze jest pole elektryczne wytwarzane przez te jony w roztworze i w efekcie niższy stopień ich uwodnienia. Zmiany stanu uwilgotnienia gleby również wpływają na sorpcję, powodując zmiany stężenia roztworu glebowego. Z kolei odczyn wpływa na ilości ujemnych ładunków koloidów glebowych.

Miarą zdolności gleby do wymiennej sorpcji kationów, czyli właściwości sorpcyjnych gleby, jest pojemność wymiany kationów (PWK). Jest to suma wszystkich kationów zasadowych (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) i kwasowych (H⁺, Al³⁺), zaabsorbowanych przez glebę. Wielkość pojemności wymiennej kationów zależy od sumy ładunków ujemnych koloidów glebowych i określa się ją na podstawie sumy kationów zobojętniających te ładunki. Dlatego jednostką PWK jest mol ładunków na 1 kg gleby [mol(+)/kg].

Właściwości sorpcyjne gleby można scharakteryzować także za pomocą wyrażonego w procentach stopnia nasycenia kompleksu sorpcyjnego kationami o charakterze zasadowym (V). Jest to iloraz sumy kationów zasadowych i pojemności wymiany kationów.

W oznaczaniu pojemności wymiany kationów wyróżnia się dwie grupy metod. Pierwsza polega na wypieraniu wszystkich kationów wymiennych z kompleksu sorpcyjnego za pomocą jednego kationu, zwykle Ba²⁺ lub NH₄⁺, a następnie oznaczeniu jego ilości. Druga grupa metod polega na zsumowaniu ilości wszystkich kationów wymiennych.

Oznaczenie kwasowości gleby polega na pomiarze pH standardowej zawiesiny gleby w wodzie destylowanej. Zawiesinę dla próbek gleb mineralnych sporządza się w stosunku gleby do roztworu 1:2,5, natomiast dla gleb organicznych w stosunku 1:10. Pomiaru pH zawiesiny dokonuje się po upływie co najmniej kilku godzin, po osiągnięciu równowagi, przy użyciu pH-metru z elektrodą szklaną.