Tekst źródłowy strony Buforowość gleb

'''Buforowość gleby''' – zdolność do utrzymywania stałego [[skala pH|pH]] [[gleba|gleby]] ([[odczyn gleby|odczynu]]), konsekwencja działania różnych [[Roztwór buforowy|roztworów buforowych]] (przede wszystkim [[Bufor wodorowęglanowy|buforu wodorowęglanowego]]) i buforów wymiany jonowej ([[sorpcja]] [[jon wodorowy|jonów {{chem2|H+}}]] przez glebowe [[kompleks sorpcyjny|kompleksy sorpcyjne]])<ref name = "Ekologia.pl">{{cytuj stronę | url = http://slownik.ekologia.pl/115_Leksykon_ekologii_i_ochrony_srodowiska/1180_1_B_0_buforowosc_gleby.html | tytuł = Buforowość gleby | praca = Ekologia.pl – Polski Portal Ekologiczny | język = pl | data dostępu = 2012-06-12}}</ref>. Duże znaczenie ma również buforowość związana z procesami [[biodegradacja|biodegradacji]] [[biomasa|biomasy]] ([[Detrytus (ekologia)|detrytusu]]), opisana dotychczas mniej dokładnie<ref name = "Bednarek i wsp.">{{cytuj książkę | autor = Renata Bednarek, Helena Dziadowiec, Urszula Pokojska, Zbigniew Prusinkiewicz |tytuł = Badania ekologiczno-gleboznawcze | strony = 198–221 | wydawca = Wydawnictwo Naukowe PWN | miejsce = Warszawa | data = 2004 | isbn = 83-01-14216-2}}</ref><ref name = "Chemia rolna">{{cytuj książkę | autor = Mariusz Fotyma, Stanisław Mercik | tytuł = Chemia rolna | strony = 38–45 | wydawca = Wydawnictwo Naukowe PWN | miejsce = Warszawa | data = 1992}}</ref>.

Pojęcie „buforowanie gleb” bywa niekiedy stosowane jako określenie wszystkich procesów zachodzących w [[ekosystem]]ie glebowym, odpowiedzialnych za utrzymywanie [[Równowaga biocenotyczna|równowagi ekologicznej]], w tym przeciwdziałających zmianom składu roztworu glebowego (np. zmianom stężenia innych kationów w czasie [[nawożenie|nawożenia]])<ref name = "Mercik 1987">{{cytuj książkę | autor = Mariusz Fotyma, Stanisław Mercik, Antoni Faber | tytuł = Chemiczne podstawy żyzności gleb i nawożenia | wydawca = PWRiL | miejsce = Warszawa | data = 1987}}</ref>

== Bufory słaby kwas–sól i słaba zasada–sól == 
Działanie [[roztwór buforowy|buforów]] najczęściej jest ilustrowane przykładem roztworu zawierającego [[Moc kwasu|słaby kwas]] (zgodnie z [[Teoria kwasów i zasad Brønsteda|teorią Brønsteda]] – donor {{chem2|H+}}) i silną zasadę (akceptor {{chem2|H+}}):
: HA(aq) + {{chem2|H2O}} ⇌ {{chem2|H3O+}}(aq) + {{chem2|A-}}(aq) 
: XA ⇌ {{chem2|X+}}(aq) + {{chem2|A-}}(aq)
Po częściowej [[dysocjacja elektrolityczna|dysocjacji]] składników układu ustala się [[Równowaga reakcji chemicznych|równowaga]] silnie przesunięta w stronę kwasu (HA) – dobrze zdysocjowana sól blokuje dysocjację słabego kwasu. Wartość pH w stanie równowagi zależy od [[stała dysocjacji|stałej dysocjacji]] kwasu (''K''<sub>a</sub>) oraz od [[stężenie molowe|stężeń molowych]] donora i akceptora (równanie Hendersona-Hasselbalcha): 
: <math>pH=pK_a+\log\frac{c_{akceptor}}{c_{donor}}</math>
Poziom pH utrzymuje się dopóty, dopóki nie zostanie przekroczona pojemność buforowa, zależna od stałej równowagi reakcji buforowej i od stężenia czynnika słabo dysocjującego.

=== Bufor wodorowęglanowy ===
W buforze wodorowęglanowym donorem (protonodawcą) jest [[kwas węglowy]] ({{chem2|H2CO3}}), a akceptorem (protonobiorcą) anion [[wodorowęglan|{{chem2|HCO3-}}]]). Podstawowe znaczenie mają reakcje rozpuszczania [[wapień|wapieni]] ({{chem2|CaCO3}}). Od szybkości tego procesu zależy szybkość buforowania<ref name = "Bednarek i wsp."/>.  
W czasie dodawania mocnych kwasów i zasad zachodzą np. reakcje:
:: {{chem2|HCO3-}} + {{chem2|H3O+}} ⇌ {{chem2|H2CO3}} + {{chem2|H2O}}
:: {{chem2|H2CO3}} + {{chem2|OH-}} ⇌ {{chem2|HCO3-}} + {{chem2|H2O}}

Charakterystyka według Ullmana (1981, 1983)<ref name = "Bednarek i wsp."/>:
* zakres buforowania:   pH = 6,2–8,0,
* pojemność buforowa górnej warstwy gleby (miąższość 1&nbsp;dm) o gęstości objętościowej 1,5&nbsp;g/cm³ i powierzchni 1&nbsp;ha:
: – 150 kmol {{chem2|H+}} · % {{chem2|CaCO3}} (buforowanie kwasu węglowego),
: – 300 kmol {{chem2|H+}} · % {{chem2|CaCO3}} (buforowanie silnych kwasów).

=== Bufor krzemianowy ===
Buforowanie z udziałem krzemianów jest złożonym procesem wieloetapowym, w którym wiązanie {{chem2|H+}} zachodzi m.in. w czasie [[wietrzenie|wietrzenia]] glinokrzemianów (np. [[anortyt]], [[kaolinit]]) z uwolnieniem [[Pojemność wymiany kationów#Kationy kwasowe i zasadowe|kationów zasadowych]] lub adsorpcji kationów w powstających [[minerały glebowe|materiałach ilastych]]. Końcowymi produktami procesu są [[Tlenek glinu|tlenki Al]], [[Tlenki żelaza|Fe]] i [[Mangan#Przykłady związków manganu|Mn]] i niezdysocjowane [[kwasy krzemowe]].
 
Charakterystyka według Ullmana (1981, 1983)<ref name = "Bednarek i wsp."/>:
* zakres buforowania:   pH = 5,0–6,2,
* pojemność buforowa górnej warstwy gleby (miąższość 1&nbsp;dm) o gęstości objętościowej 1,5&nbsp;g/cm³ i powierzchni 1&nbsp;ha:
: – przeciętnie 75 kmol {{chem2|H+}} · % krzemianów.
 
=== Bufor glinowy ===
Działanie buforu glinowego jest ilustrowane równaniem:
:: AlOOH + 3{{chem2|H+}} = {{chem2|Al(3+)}} + 2{{chem2|H2O}}
w którym AlOOH oznacza odpowiednie fragmenty minerałów ilastych lub uwodnione tlenki Al. Buforowanie wiąże się z obecnością toksycznego dla roślin jonu {{chem2|Al(3+)}} w roztworze glebowym.

Charakterystyka według Ullmana (1981, 1983)<ref name = "Bednarek i wsp."/>:
* zakres buforowania:   pH = 2,8–4,2,
* pojemność buforowa górnej warstwy gleby (miąższość 1&nbsp;dm) o gęstości objętościowej 1,5&nbsp;g/cm³ i powierzchni 1&nbsp;ha:
: – przeciętnie 100–150 kmol {{chem2|H+}} · % frakcji ilastej.

=== Bufor żelazowy ===
Działanie buforu żelazowego jest ilustrowane równaniem charakteryzującym [[bielicowanie|wybielanie gleby]]:
:: FeOOH + 3{{chem2|H+}} = {{chem2|Al(3+)}} + 2{{chem2|H2O}}
w którym FeOOH oznacza odpowiednie fragmenty sieci tlenków i wodorotlenków Fe.  

Charakterystyka według Ullmana (1981, 1983)<ref name = "Bednarek i wsp."/>:
* zakres buforowania:   pH = 2,4–3,8,
* pojemność buforowa górnej warstwy gleby (miąższość 1&nbsp;dm) o gęstości objętościowej 1,5&nbsp;g/cm³ i powierzchni 1&nbsp;ha:
: – przeciętnie 270 kmol {{chem2|H+}} · % Fe<sub>d</sub> (wolne tlenki, ulegające ekstrakcji z zastosowaniem {{chem2|[[Ditionin sodu|Na2S2O4]]}}).

== Bufor wymiany jonowej (sorpcyjny) ==
Bufory sorpcyjne tworzą bardzo zróżnicowane stałe cząstki [[Kompleks sorpcyjny|kompleksu sorpcyjnego]]<ref name = "Chemia rolna"/><ref name="Koter">{{cytuj książkę | nazwisko = Koter | imię = Mieczysław | tytuł = Chemia rolna | wydawca = Państwowe Wydawnictwo Naukowe | miejsce = Warszawa | data = 1976 | strony = 187–191}}</ref>:
* cząstki [[minerały glebowe|mineralne]] [[Pojemność wymiany kationów#Kationy kwasowe i zasadowe|wysycone zasadami]], 
* cząstki próchnicy glebowej, pełniące w buforach rolę słabych [[Kwasy organiczne|kwasów organicznych]].

Na powierzchni wysyconych zasadami cząstek mineralnych zachodzą pod wpływem kwasów różne procesy wymiany jonów, np. wymiany {{chem2|Ca(2+)}} i {{chem2|Mg(2+)}} na równoważną liczbę jonów {{chem2|H+}}, a pod wpływem zasad – wymiana jonów {{chem2|H+}} na inne kationy<ref name = "Bednarek i wsp."/><ref name="Koter"/>. 

Charakterystyka według Ullmana (1981, 1983)<ref name = "Bednarek i wsp."/>:
* zakres buforowania:   pH = 4,2–5,0,
* pojemność buforowa gleby zależna od [[Pojemność wymiany kationów|PWK i stopnia wysycenia sorbentu zasadami]].

== Czynniki ekologiczne ==
[[Plik:Cycle azote pl.svg|thumb|200px|[[Obieg azotu w przyrodzie|Obieg azotu]] w ekosystemach składa się z wielu reakcji chemicznych i biochemicznych, przebiegających z udziałem [[jon wodorowy|{{chem2|H+}}]] lub [[Pojemność wymiany kationów#Kationy kwasowe i zasadowe|kationów zasadowych]]. Stabilność pH gleby jest konsekwencją [[Równowaga biocenotyczna|równowagi ekologicznej]], obejmującej procesy tworzące wszystkie [[Cykl biogeochemiczny|cykle biogeochemiczne]], w tym m.in. chemiczne, biologiczne i mechaniczne [[wietrzenie]] skały macierzystej, umożliwiające uzupełnianie zasobów jonów zasadowych w obiegu]]
Poza zmierzającymi do [[równowaga termodynamiczna|równowagi termodynamicznej]] [[reakcja chemiczna|reakcjami chemicznymi]] i [[chemia fizyczna|procesami fizykochemicznymi]] w każdej glebie zachodzą [[biologia|procesy biologiczne]]. Biorą w nich udział liczne [[organizm]]y – [[producent (biologia)|producenci]], [[konsument (biologia)|konsumenci]], [[reducent|reducenci]]) – uczestniczące w [[obieg wody w przyrodzie|obiegu wody]] i  [[biogeny|biogennych]] [[Cykl biogeochemiczny|pierwiastków]] w [[ekosystem]]ie. Częścią ekosystemu, jakim jest np. naturalny [[ekosystem leśny|las]] jest gleba, charakteryzująca się określonym [[profil glebowy|profilem]]. Jest on układem [[poziom genetyczny gleby|genetycznych poziomów]], który ukształtował się w długotrwałym procesie [[Sukcesja ekologiczna|sukcesji ekologicznej]], prowadzącym do stanu [[Równowaga biocenotyczna|równowagi ekologicznej]]. Na określonym [[skała macierzysta|podłożu mineralnym]] w ustalonych warunkach [[klimat]]ycznych powstaje odpowiadająca tym warunkom [[biocenoza]] i charakterystyczna gleba, z wartościami pH charakterystycznymi dla  poszczególnych poziomów. Skuteczne działanie tak rozumianego buforu ekologicznego wymaga długiego czasu. W ekosystemach przekształconych przez człowieka, np. [[agrocenoza]]ch, utrzymanie właściwych wartości pH powinny umożliwiać odpowiednie zabiegi [[agrotechnika|agrotechniczne]]<ref name="Stefanowicz">{{cytuj książkę|nazwisko=Stefanowicz|imię=Tadeusz|tytuł=Wstęp do ekologii i podstaw ochrony środowiska|miejsce=Poznań|data=199|strony=126 141|isbn=83-7143-066-3|rozdział=Środowisko naturalne}}</ref><ref name="Kalinowska">{{cytuj książkę | autor = Anna Kalinowska | tytuł = Ekologia – wybór przyszłości | wydawca = Editions Spotkania | miejsce = Warszawa | isbn=  83-7115-027-X}}</ref>.

== Badania właściwości buforowych ==
W praktyce laboratoryjnej lub w czasie badań terenowych stosuje się wiele różnych metod pomiarów, dostosowanych do konkretnych zadań badawczych. Metodą bardzo popularną jest wyznaczanie kształtu „krzywych buforowych” – zależności [[pH-metr]]ycznie wyznaczanego odczynu od ilości odczynnika – roztworu kwasu lub zasady – dodanego do badanej próbki. Różnica między klasycznym [[miareczkowanie potencjometryczne|miareczkowaniem potencjometrycznym]] i rejestracją krzywych buforowych dotyczy przede wszystkim czasu trwania oznaczenia. W przypadku badania gleb trzeba uwzględnić czas osiągania stałej wartości pH po dodaniu porcji kwasu lub zasady (czas między wprowadzaniem kolejnych porcji odczynnika wynosi niekiedy >&nbsp;1&nbsp;godz). Stosuje się np. procedurę polegającą na równoczesnym dodawaniu różnych porcji odczynników do serii badanych próbek, a następnie – po upływie czasu niezbędnego do ustalenia się równowagi (zwykle 24 godz) – oznaczeniach pH całej serii roztworów<ref name = "Bednarek i wsp."/><ref name="Koter"/>. 

Porównywanie zdolności buforowania różnych gleb wykonuje się m.in. metodą [[Svante Arrhenius|Arreheniusa]]. W czasie badań działaniu odczynników o różnym składzie (kwasów i zasad) poddaje się próbki ocenianych gleb i próbki wzorcowe – np. nie zawierający [[kompleks sorpcyjny|kompleksu sorpcyjnego]] [[piasek]] [[kwarc]]owy. Sporządzane są wykresy zależności pH roztworów (próbki pobrane znad badanej gleby i piasku) od ilości dodanego kwasu lub zasady. Powierzchnie zawarte między oboma wykresami są nazywane powierzchniami buforowania. Mała powierzchnia buforowania kwasów występuje np. w przypadku [[Gleby bezwęglanowe|gleb bezwęglanowych]]; w takich glebach może występować [[próchnica (humus)|próchnica]], zapewniająca duże zdolności buforowe w zakresie zasadowym. Dużą powierzchnią buforowania w obu zakresach (zasadowym i kwaśnym) charakteryzują się gleby zasobne w sorbenty próchnicze i mineralne<ref name = "Bednarek i wsp."/>. 
{{Grafika rozwinięta
|opis       = '''Laboratoryjna ocena zdolności buforowych'''
|położenie  = center
|grafika1   = Titolazione.gif
|szerokość1 = 135
|alt1       = 1
|opis1      = [[Miareczkowanie potencjometryczne]]
|grafika2   = Krzywe buforowe.svg
|szerokość2 = 285
|alt2       = 3
|opis2      = Powierzchnie buforowe dwóch próbek gleby; linie czerwone – piasek kwarcowy, czarne – dwie próbki gleby
}}

== Przypisy ==
{{Przypisy}}
{{gleby i gleboznawstwo}}

[[Kategoria:Gleboznawstwo]]