3.1. Gleba – jej skład i właściwości

Hipokrates uważał, że: prawdziwy rozwój człowieka, zwierzęcia i rośliny zależy od jakości gleby. Gleba produkuje żywność, zatrzymuje i gromadzi wodę, a dzięki żyjącym w niej drobnoustrojom uczestniczy w niezbędnym do ciągłości życia na Ziemi procesie rozkładu (mineralizacji) martwych resztek organicznych, wpływając w ten sposób na obieg pierwiastków w środowisku.
Czym jest gleba i jakie są jej właściwości?

Już wiesz: 

  • jaki odczyn mogą mieć roztwory, w jaki sposób zbadać odczyn roztworu i określić jego pH;
  • że substancje stałe charakteryzuje różna rozpuszczalność w wodzie, i potrafisz odnaleźć informacje o rozpuszczalności wybranej substancji;
  • jakie są właściwości wybranych grup związków nieorganicznych i organicznych oraz jaki jest ich skład.

Nauczysz się: 

  • definiować pojęcie gleby;
  • opisywać skład gleby;
  • wyjaśniać, na czym polegają właściwości sorpcyjne gleby i wskazywać czynniki wpływające na właściwości sorpcyjne gleby;
  • wyjaśniać, jak pH gleby może wpływać na wzrost i rozwój roślin;
  • podawać przykłady roślin i ich wymagań co do pH gleby;
  • planować i przeprowadzać badanie kwasowości gleby oraz badać właściwości sorpcyjne gleby.
Gleba jest powierzchniową warstwą skorupy ziemskiej o podstawowym znaczeniu w rozwoju i ciągłości życia biologicznego. Zawiera sole mineralne i wodę niezbędną dla roślin. Sole mineralne są pobierane z gleby przez rośliny, dostając się do łańcuchów pokarmowych, na których końcu może się znaleźć również człowiek.
Gleba jest heterogeniczną mieszaniną związków organicznych i nieorganicznych o zróżnicowanych rozmiarach cząstek, wody i gazów. Gleba stanowi siedlisko życia ogromnej liczby organizmów roślinnych i zwierzęcych.

1. Skład gleby

Skład gleby zależy od rodzaju skały stanowiącej podłoże i ulegającej procesom glebotwórczym (fizycznym i chemicznym), ilości próchnicy oraz różnorodności żyjących w niej organizmów.
Ok. 45% objętości gleby stanowią substancje mineralne, ok. 25% gazy (powietrze, tlenek węgla(IV) CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów, metan CH IndeksDolny 4 KoniecIndeksów, siarkowodór H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów S, amoniak NH IndeksDolny 3 KoniecIndeksów), 25% – woda i 5% – substancje organiczne. Skład gazów zależy od zachodzących w glebie (z udziałem mikroorganizmów) procesów, w wyniku których w warunkach beztlenowych powstają metan i siarkowodór. Istotną cechą różniącą powietrze w glebie od powietrza atmosferycznego jest znacznie wyższe (5–50 razy) stężenie CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów.
W próchnicy przeważają składniki organiczne, którymi są wszystkie żyjące w niej mikroorganizmy oraz obumarłe części roślin i zwierząt.
Skład pierwiastkowy gleby
  • Makroelementy – 14 pierwiastków: potas, sód, wapń, magnez, glin, żelazo, węgiel, krzem, azot, fosfor, tlen, siarka, wodór, chlor.
    Szczególnie dużo jest krzemu i glinu, a także tlenu, ponieważ te pierwiastki wchodzą w skład minerałów ilastych, czyli kwarcu SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów, oraz glinokrzemianów i krzemianów glinu i magnezu
  • Mikroelementy, jak bor, miedź, cynk, mangan, żelazo, molibden niezbędne do rozwoju roślin. Mikroelementy występują w postaci minerałów o różnorakim składzie chemicznym jak np.: borokrzemiany, CuFe S IndeksDolny 2 KoniecIndeksów (chalkopiryt), ZnCO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów , Zn Cl IndeksDolny 2 KoniecIndeksów , MnO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów lewy-nawias H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O prawy-nawias , FeO lewy-nawias OH prawy-nawias , Fe(O H) IndeksDolny 2 KoniecIndeksów , Fe(O H) IndeksDolny 3 KoniecIndeksów , MoS IndeksDolny 2 KoniecIndeksów (molibdenit), CaMoO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów oraz próchnicy.
Powstawanie gleby (formowanie gleby) jest procesem ciągłym obejmującym:
  • wietrzenie minerałów stanowiących macierzyste podłoże gleby:
    • wietrzenie fizyczne – kruszenie skał na skutek działania wody i wiatru oraz zmian temperatury,
    • wietrzenie chemiczne – reakcje minerałów budujących skały z wodą i tlenkiem węgla(IV), w wyniku których powstają prostsze, rozpuszczalne w wodzie związki;
  • wietrzenie biologiczne – przemiany materii biologicznej, głównie roślinnej, reakcje z udziałem mikroorganizmów prowadzące do utworzenia próchnicy (substancji organicznej powstałej w wyniku niecałkowitego rozkładu roślin i zwierząt).

2. Właściwości gleby

Wskazówka

DO DOŚWIADCZEŃ 1. i 2.
Jak pobierać próbki gleby?
Co będzie potrzebne:
  • łopatka,
  • naczynia do przechowywania próbek gleby, najlepiej zamykane pojemniki.
Wykonanie:
Pobieramy kilka próbek gleby z różnych miejsc znajdujących się na badanej powierzchni. Czynności tej nie powinniśmy wykonywać podczas opadów deszczu lub tuż po ich ustąpieniu. Próbki gleby z jednej powierzchni mieszamy z sobą i usuwamy z nich kamienie, części roślin, kawałki szkła i inne nietypowe przedmioty. Koniecznie należy pamiętać o oznaczeniu próbek, np. gleba z ogrodu, gleba z pobocza drogi, gleba leśna. Grudki gleby rozkruszamy i suszymy ją przez 24 godziny w temperaturze pokojowej, w dobrze wentylowanym pomieszczeniu. Próbki pozostawiamy do doświadczeń.

Doświadczenie 3.1.1. Jakie właściwości ma gleba?

Problem badawczy:  
Czy gleba ma jakieś szczególne właściwości?
Hipoteza: 
Gleba, ze względu na swoją budowę, może wykazywać właściwości podobne do właściwości węgla aktywnego.
Co będzie potrzebne: 
  • 2 zlewki,
  • 2 lejki,
  • 2 bagietki,
  • sączki karbowane,
  • gleba,
  • węgiel aktywny,
  • woda zabarwiona atramentem.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Przygotuj dwa zestawy do sączenia z sączkami karbowanymi.
  2. 2.
    Na jeden sączek nasyp dwie łyżki gleby, na drugi – dwie łyżki węgla aktywnego.
  3. 3.
    Przefiltruj kilka mililitrów wody z atramentem przez warstwę gleby i warstwę węgla aktywnego. Obserwuj zachodzące zmiany.
Podsumowanie: 
Porównaj wygląd obu przesączów. Gleba, podobnie jak węgiel aktywny, wchłonęła barwiący wodę atrament. Gleba wykazuje właściwości sorpcyjne.

Doświadczenie 3.1.2. Właściwości sorpcyjne

Cel: 
Porównanie właściwości sorpcyjnych gleby i piasku.
Co będzie potrzebne: 
  • 3 probówki,
  • woda z atramentem,
  • piasek,
  • gleba lessowa.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do trzech probówek wlej po około 3 cm3 wody zabarwionej atramentem.
  2. 2.
    Do pierwszej probówki nasyp ok. 2 cm3 gleby, do drugiej – ok. 2 cm3 piasku kwarcowego, a trzecią pozostaw jako porównawczą.
  3. 3.
    Zawartość probówek dokładnie zamieszaj i po opadnięciu (sedymentacji) piasku i lessu porównaj barwę cieczy nad osadem z roztworem porównawczym w trzeciej probówce.
Podsumowanie: 
Tylko w probówce z glebą lessową nastąpiło odbarwienie cieczy, co świadczy o jej właściwościach sorpcyjnych.
Gleba pochłania nawet bardzo drobne cząstki tworzące zawiesiny. Mówimy, że ma właściwości sorpcyjne. Dzięki temu ma zdolność do pochłaniania gazów z powietrza, cząsteczek lub jonów z roztworów oraz mikroorganizmów i drobnych cząstek z zawiesin.
Wyróżnia się następujące rodzaje sorpcji:
  • sorpcję mechaniczną, która polega na zatrzymywaniu w wolnych przestrzeniach gleby drobin oraz mikroorganizmów zawartych w roztworach glebowych i zawiesinach;
  • sorpcję fizyczną – proces zatrzymywania wody i gazów (tlenku węgla(IV) i tlenków azotu) przez rozdrobnione stałe składniki gleby;
  • sorpcję chemiczną – proces zatrzymywania jonów zawartych w roztworze glebowym, na drodze reakcji roztwarzania oraz wytrącania soli trudno rozpuszczalnych.
Sorpcja chemiczna gleby wpływa na zmniejszenie stężenia niektórych jonów w roztworze glebowym, np.: siarczanów(VI), fosforanów(V), jonów wodorotlenowych oraz kationów metali.
Przykładem może być reakcja kationów wapnia z anionami siarczanowymi(VI):
Ca IndeksGórny 2+ KoniecIndeksów + SO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów IndeksGórny 2 minus KoniecIndeksów → CaSO IndeksDolny 4↓ KoniecIndeksów
Gleba pochłania także wiele związków toksycznych, dlatego przyczynia się do oczyszczania wód opadowych i gruntowych. Substancje toksyczne gromadzą się jednak w glebie, a przywrócenie skażonej gleby do stanu pierwotnego jest procesem skomplikowanym i długotrwałym.

Doświadczenie 3.1.3. Odczyn gleby

Problem badawczy:  
Jaki odczyn ma gleba? Czy gleby mogą różnić się odczynem?
Hipoteza: 
W zależności od miejsca pobrania (pochodzenia) gleby mogą charakteryzować się różnym odczynem.
Co będzie potrzebne: 
  • probówki,
  • papierki uniwersalne,
  • próbki gleby – gleba ogrodowa, gleba leśna,
  • woda destylowana.
Instrukcja: 
  1. 1.
    W probówce umieść ok. 1 cm3 badanej gleby.
  2. 2.
    Dodaj do probówki ok. 3 cm3 wody. Zamknij probówkę korkiem i wstrząsaj przez kilka minut. Probówkę pozostaw w statywie.
  3. 3.
    Po opadnięciu osadu zanurz w roztworze nad osadem papierek uniwersalny. Wyjmij papierek i odczytaj wynik, korzystając ze skali.
  4. 4.
    Czynności powtórz, używając drugiej próbki gleby.
Podsumowanie: 
Próbki gleby pobrane z rozmaitych terenów różnią się odczynem, mają więc różne pH.
Odczyn gleb można określić, mierząc stężenie jonów wodorowych różnymi metodami.
Gleby wykazują zróżnicowany odczyn uzależniony od skały macierzystej, procesów glebotwórczych oraz od działalności człowieka. Gleby bogate w minerały węglanowe są zwykle zasadowe, a zawierające dużo materiału organicznego zwykle kwasowe. Źródłem kwasowości gleby jest rozpuszczanie w niej tlenku węgla(IV), przy czym stężenie CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów wzrasta wskutek rozkładu pozostałości roślinnych.
Odczyn pH jest bardzo ważną cechą gleby. Decyduje bezpośrednio o możliwości wzrostu roślin, kierunku i szybkości przebiegu procesów biologicznych i fizykochemicznych w glebach.
Rośliny mają różny stopień tolerancji na zakwaszenie gleby. Najlepsze dla upraw są gleby o odczynie bliskim obojętnego (pH od 6,6 do 7,2) lub lekko kwasowym (pH 5,6–6,5). Stwierdzono, że spadek pH gleby w warstwie ornej do wartości poniżej 5 powoduje obniżenie plonów roślin uprawnych. Rośliny leśne rozwijają się prawidłowo na glebach o pH 4,5–5,5.
W Polsce ponad 80% gleb uprawnych to gleby kwaśne, które wymagają wapnowania, czyli nawożenia zasadowymi związkami wapnia (nawozy wapniowe).

Doświadczenie 3.1.4. W jaki sposób można wpłynąć na odczyn gleby?

Problem badawczy:  
W jaki sposób można zmienić odczyn gleby?
Hipoteza: 
Na odczyn gleby kwaśnej można wpłynąć przez dodanie substancji o charakterze zasadowym, na przykład tlenku wapnia.
Co będzie potrzebne: 
  • 2 probówki,
  • łyżeczka,
  • próbka gleby kwaśnej,
  • uniwersalne papierki wskaźnikowe,
  • tlenek wapnia.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Zbadaj odczyn gleby.
  2. 2.
    Do pół łyżeczki gleby kwaśnej dodaj szczyptę tlenku wapnia i dokładnie wymieszaj.
  3. 3.
    Zbadaj odczyn gleby zmieszanej z tlenkiem wapnia.

Wskazówka

Badanie odczynu należy przeprowadzić podobnie jak w doświadczeniu 3.
Podsumowanie: 
Porównanie wyników badania pH próbek z użyciem papierków uniwersalnych (lub wskaźnika Helliga) wskazuje, że dodanie tlenku wapnia powoduje zmianę odczynu gleby na bardziej zasadowy.

Doświadczenie 3.1.5.

Problem badawczy:  
Jakie związki, oprócz zasad i tlenków zasadowych, mogą wpłynąć na odczyn gleby?
Hipoteza: 
Na odczyn gleby kwaśnej można wpłynąć przez dodanie substancji o charakterze zasadowym. Takie właściwości mają niektóre sole, np. węglan wapnia.
Co będzie potrzebne: 
  • 3 probówki,
  • łyżeczka,
  • próbka gleby kwaśnej,
  • uniwersalne papierki uniwersalne (lub wskaźnik Helliga),
  • węglan wapnia.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Zbadaj odczyn gleby.
  2. 2.
    Przygotuj roztwór węglanu wapnia i zbadaj jego odczyn uniwersalnym papierkiem wskaźnikowym.
  3. 3.
    Do pół łyżeczki gleby kwaśnej dodaj szczyptę węglanu wapnia i dokładnie wymieszaj.
  4. 4.
    Zbadaj odczyn gleby zmieszanej z węglanem wapnia.

Wskazówka

Badanie odczynu należy przeprowadzić podobnie jak w doświadczeniu 3.
Podsumowanie: 
Z doświadczenia wynika, że dodanie do gleby węglanu wapnia powoduje zmianę jej pH gleby na bardziej zasadowe.
Węglan wapnia jest solą trudno rozpuszczalną w wodzie, ale w roztworze wodnym w nieznacznym stopniu ulega procesowi dysocjacji, co można zapisać równaniem:
Ca CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów ⟶ Ca IndeksGórny 2+ KoniecIndeksów + CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów IndeksGórny 2 minus KoniecIndeksów

Powstające jony wapnia wchodzą w reakcję z wodą (proces ten nazywany jest hydrolizą soli):
CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów IndeksGórny 2 minus KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O ⇆ OH IndeksGórny minus KoniecIndeksów + HCO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów IndeksGórny minus KoniecIndeksów
HCO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów IndeksGórny minus KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O ⇄ OH IndeksGórny minus KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów

Jednym z produktów są jony OH IndeksGórny minus KoniecIndeksów, dlatego roztwór tej soli wykazuje odczyn zasadowy.
Podobnym reakcjom ulegają także inne sole dobrze rozpuszczalne, z wyjątkiem soli pochodzących od mocnych wodorotlenków i kwasów (np. w roztworze wodnym chlorku sodu reakcje hydrolizy nie zachodzą).
Wskaźnikami jakości gleby mogą być rośliny, które na niej rosną. Biorąc za kryterium odczyn gleby, wyróżnia się trzy grupy roślin wskaźnikowych: indykatory gleb kwaśnych, zasadowych i obojętnych.
Roślinami wskaźnikowymi gleb o niskim pH (o odczynie kwasowym) są między innymi: borówka czernica, skrzyp polny, szczaw polny, wrzos zwyczajny i różne gatunki fiołków.
O wysokim pH (odczynie zasadowym) podłoża świadczy występowanie babki zwyczajnej, cykorii podróżnika, gorczycy polnej, jasnoty białej, maku polnego, dymnicy pospolitej, pokrzywy żegawki.
Na glebach o odczynie zbliżonym do obojętnego rosną między innymi jasnota purpurowa, przetacznik polny, tasznik pospolity.

Ciekawostka

Fitoindykatory (rośliny wskaźnikowe) są wykorzystywane w poszukiwaniu złóż, np. uranu, siarki, srebra. Sosna i jałowiec dzięki długim korzeniom mogą być wykorzystywane w poszukiwaniach złóż uranu. Jeśli rosną nad pokładami tego surowca, stwierdza się znaczną kumulację uranu w ich nadziemnych częściach.
Fitoindykatory odgrywają także istotną rolę w ocenie stopnia zanieczyszczenia środowiska (gleby, wody, powietrza) substancjami toksycznymi. Przykładem może być badanie zawartości siarki w wybranych gatunkach mchów i porostów celem monitorowania zanieczyszczenia atmosfery tlenkami siarki na danym terenie.

Podsumowanie

  • Powstawanie gleby (formowanie gleby) – jest procesem ciągłym obejmującym między innymi wietrzenie minerałów stanowiących macierzyste podłoże gleby, reakcje z udziałem mikroorganizmów, przemiany materii biologicznej, głównie roślinnej.
  • Wietrzenie minerałów to zespół procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących z udziałem organizmów żywych. Istotną rolę w przebiegu tych procesów odgrywa woda przepływająca przez glebę i rozpuszczająca składniki mineralne. Procesy wietrzenia zachodzą w środowisku słabo kwasowym.
  • Gleba ma silne właściwości sorpcyjne, czyli zdolność do pochłaniania gazów i par z powietrza, cząsteczek lub jonów z roztworów oraz mikroorganizmów i drobnych cząstek z zawiesin znajdujących się w glebie.
  • Większość roślin najlepiej rozwija się na glebie o odczynie obojętnym lub lekko kwasowym.

Praca domowa

Polecenie 3.1.1.

Problem 1.
Wietrzenie chemiczne skał odbywa się między innymi przez działanie wody, w której rozpuszczone są tlenki węgla(IV), siarki(IV) i azotu, przez co działający na skały roztwór ma odczyn kwasowy. Skały reagują z kwasem, co powoduje ich kruszenie.
Zaprojektuj doświadczenie pozwalające na określenie, która ze skał (np. piaskowiec, marmur, granit, wapień) najszybciej ulega działaniu kwasu i jest najbardziej narażona na wietrzenie chemiczne. Przedstaw opis lub schemat doświadczenia oraz listę potrzebnego sprzętu i odczynników.
Problem 2.
Które z podanych substancji nieorganicznych mogłyby zobojętnić kwasowy odczyn gleby? Odpowiedź uzasadnij, zapisując w formie jonowej odpowiednie równania reakcji chemicznych.
  • Ca(OH) IndeksDolny 2 KoniecIndeksów,
  • CaO,
  • NaHCO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów.

Słowniczek

Definicja

gleba –
powierzchniowa warstwa skorupy ziemskiej powstająca w wyniku wietrzenia skał, czyli długotrwałych, złożonych procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących pod wpływem czynników atmosferycznych, wody oraz działania mikroorganizmów

Definicja

właściwości sorpcyjne gleby –
zdolność gleby do pochłaniania atomów, cząsteczek i jonów z gazów, powietrza, roztworów i zawiesin

Zadania

Zadanie 3.1.1.

Zadanie 3.1.2.

Zadanie 3.1.3.

Zawartość dwutlenku węgla w roztworze glebowym ma istotny wpływ na odczyn tego roztworu. Zależności te przedstawia poniższa tabela:
Tabela 1. Do zadania
Zawartość CO2 w roztworze glebowym lewy-nawias-kwadratowy PoczątekUłamka mg Przez cm IndeksGórny 3 KoniecIndeksów KoniecUłamka prawy-nawias-kwadratowy0,55,417,954,0178,8
pH roztworu glebowego5,75,24,94,74,5
Jaki odczyn jma gleba przy zawartości CO2 w roztworze glebowym równym 178,8 lewy-nawias-kwadratowy PoczątekUłamka mg Przez cm IndeksGórny 3 KoniecIndeksów KoniecUłamka prawy-nawias-kwadratowy .

Zadanie 3.1.4.

Pewien ogrodnik chciał założyć nowy ogród. Zauważył, że wiosną w tym miejscu pięknie kwitły fiołki, a latem rosło dużo szczawiu. Traktując te rośliny jako bioindykatory pH, wyszukaj informacje, które pozwolą ci ocenić, jaki odczyn ma gleba na terenie, na którym powstaje nowy ogród. Następnie zapoznaj się z tabelą i wskaż rośliny, które powinien posadzić ogrodnik w swoim nowym ogrodzie, aby uzyskać dobre zbiory.
Tabela 2. Do zadania
RoślinapH gleby
czosnek5,5–9,0
fasola6,6–7,2
groch5,6–6,5
maliny5,0–6,0
marchew6,0–7,0
pomidory5,5–7,5
ziemniaki 4,5–6,0