Er jorden i virkeligheden meget surere, end vi troede?
Forskere fra Aarhus Universitet påviser fejl i gængs metode til at måle jordens surhedsgrad.
pH-værdi, pH-måling_jord_forsuring

Knud Erik Nielsen (t.v.) knokler i felten med en af medforfatterne til studiet. De udgraver en jordprofil til måling af pH i felten (foto: Morten Strandberg)

pH-værdien er afgørende for, hvordan planter, dyr og bakterier har det i jordbunden, hvordan organismerne arbejder sammen, og for om der forekommer stoffer, der er giftige for planter og dyr.

Så ud over at være en af de vigtigste kårfaktorer (miljøfaktorer, red.) for økosystemer er pH værdien også en væsentlig faktor i den traditionelle risikovurdering af giftige stoffer, hvis tilgængelighed er afhængig af pH.

Nye, robuste felt-elektroder har gjort det muligt at måle jordens forsuringsniveau – også kaldet pH –direkte i jorden frem for i laboratoriet, som vi plejer.

Vi målte pH i en skov og på en hede og resultaterne viste, at de fleste målinger var ekstremt sure og lå mellem pH 2,6 og 3,2, hvor vi forventede et pH på ca. 4. 

En hel pH-enhed lavere betyder, at der er 10 gange så mange brint-ioner tilstede. Ved dette ekstreme niveau burde planter og jordbundsdyr i teorien befinde sig i et geokemisk miljø domineret af høj koncentration af opløselige jernforbindelser og andre giftige tungmetaller. Planter og dyr burde derfor ikke kunne trives i dette miljø.

Historien kort:
  • Skal lærebøgerne skrives om? Måske. Jordens pH-værdi er i al fald markant surere, når man måler den direkte i jorden frem for i laboratoriet.

  • Dermed kan der leve dyr i et langt surere miljø, end vi hidtil har troet.

  • De små dyr i jorden kan måske forklare forskellen på de to pH-målinger.

Vores lærebøger har fortalt os, at organismerne ikke kan leve i en jord med en pH-værdi under 3. Men det gør de – endda i bedste velgående. Det har vi netop vist i et nyt studie i tidsskriftet Soil Biology and Biochemistry.

Naturen ser dog ikke ud til at være blevet væsentlig surere. Så hvad kan forklare afvigelsen fra, hvad vi forventede? 

Jo lavere pH-værdi, jo surere miljø

pH udtrykker surhedsgraden og angives med tal fra 0 til 14. Jo lavere tallet er, jo surere er miljøet.

I praksis er der flere frie brint-ioner, jo lavere pH er. Skalaen er logaritmisk.

Det betyder, at ved et pH på 3, er der 10 gange så mange brint-ioner i jordvæsken, som der er ved pH 4.

Når man måler surhedsgraden i jord, er jord derfor 10 gange mere sur ved pH 3 end ved pH 4.

Lavere pH, når man måler i felten

Vi målte pH i de øvre jordlag på en hede og i en skov gennem en hel vækstsæson fra marts til oktober.

Først målte vi pH direkte på lokaliteten med en mobil pH-sensor.

Derefter tog vi de samme jordprøver med hjem i laboratoriet og målte pH-værdien med den traditionelle metode, hvor man tørrer og knuser jordprøven og opslemmer den (altså rører den ud i) i demineraliseret vand, før man måler pH.

Resultaterne var højst overraskende, da målinger i felten viste pH-værdier, der konstant lå 0,5-1 pH-enheder under målingerne i laboratoriet. Hvorfor denne forskel på de samme jordprøver? Det var noget af en gåde. 

pH-værdi_pH-måling, pH_forsuring_jord

Her ses den nye pH-sensor - en elektrode, der gør det muligt at måle pH direkte i felten (foto: Knud Erik Nielsen)

Righoldigt liv - på trods af lærebøgerne

Jorden var overraskende sur, når vi målte pH i felten – mellem 2,6 og 3,0 hvilket aldrig tidligere er målt i naturlige jorde.

Ifølge gængs økologisk teori vil disse lave pH-værdier være særdeles ugæstfrie overfor biologisk liv. En så lav pH værdi burde nemlig betyde, at selv de tungtopløselige jernoxider og manganholdige mineraler går i opløsning og dermed forgifter og forsurer jordvandet.

Et lavt pH betyder ligeledes, at de fleste næringsstoffer vil blive utilgængelige, og at de fleste processer såsom nedbrydning af organisk stof vil foregå ekstremt langsomt.

Dermed skulle en stor del af vores næringsfattige natur som heder, moser eller nåleskove være uden væsentligt biologisk liv, hvilket jo ikke er tilfældet.

Vi fandt da også en righoldig fauna i den meget sure jord fra heden. Det inkluderede dyr, som er vist i nedenstående figur. Disse dyr samt alle mulige rester af andre dyr – levende som døde – vil normalt blive knust ved den traditionelle analysemetode. Ved tørring vil jordbundsdyrene skrumpe og ikke være synlige.

Vi ved, at dyrenes pH-værdi typisk ligger på et helt neutralt pH mellem 6 og 7. Spørgsmålet er derfor, om de knuste dyr og/eller planter/svampe etc. bidrager til og kan forklare forskellen mellem pH-værdier målt i felten og i laboratorierne?

Det skal vi nu i gang med at undersøge. 

Et udsnit af jordbundsdyrene i hedejorden. A og B: Diplopoda (tusindben); C: Chilopoda (skolopender); D:  Diplura; E: Lepidoptera (sommerfuglslarve); F: Diptera (tovinger); G: Coleoptera (larvebille); H: Gastropoda (snegl); I: Isopoda (bænkebider). Den hvide linje på hvert billede er 1 mm (Foto: Amaya Irixar).

Resultaterne kalder på nye målemetoder

Vores resultater er relevante for de mange forskere, der har alenlange tidsseriemålinger af pH i jord, og for dem som arbejder med sammenhænge mellem et givet forsuringsniveau i jord og biologiske og geokemiske processer, som eksempelvis nedbrydning, tilgængelighed af næringsstoffer eller giftige stoffer, forekomst af arter eller forvitringsprocesser.

Vores resultater betyder, at man internationalt må overveje at måle pH direkte i jorden.

Endvidere åbner resultaterne spørgsmål om, hvilke processer der reelt foregår i jorden ved de lave pH-værdier og helt fundamentalt, hvordan jordbundens buffersystemer (læs mere herom under artiklen) egentlig ser ud ved disse ekstremt lave værdier.

Resultaterne stiller grundlæggende spørgsmålstegn ved, hvad jordbundens ’rigtige pH’ er og antyder, at nedknuste dyr (levende som døde) måske bidrager til en forhøjet og forkert pH, når værdien måles under standardbetingelser i laboratoriet.

Forskerne mangler viden

I den videnskabelige litteratur er der et væld af relationer mellem biologiske processer i jorden og et givet forsuringsniveau.

Det bedste eksempel er skovdøden i 1980’erne og forsuring. Langt de fleste af denne type sammenhænge er kun målt ved et pH større end 4.

Der mangler både viden og teorier om, hvad der sker ved et væsentligt lavere pH.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Man kunne ligeledes forestille sig en klimaundersøgelse i den boreale (nordlige) eller arktiske zone, hvor man måler på jordbundens afgivelse af CO2 til atmosfæren (respiration).

Typisk vil man der udtage jordprøver til efterfølgende målinger af pH i laboratoriet.

Forkerte pH-målinger giver mangelfuld forståelse

Problemet? Man skaber en relation mellem en biologisk proces, der er vigtig for klimaforskningen og et givet forsuringsniveau, som er afkoblet fra ’den rigtige pH-værdi’.

Det betyder, at den beskrevne sammenhæng ikke kan være korrekt og dermed, at vores forståelse i bedste fald er mangelfuld og måske endda forkert.

Alt i alt synes der derfor at være behov for en mængde nye undersøgelser, hvor de mange processer genovervejes på baggrund af rigtige pH-målinger direkte i felten. 

Hvad bestemmer jordbundens pH-værdi?

Når man måler pH, er det altid jordvæskens pH-værdi, man måler.

Jordvæsken indeholder stoffer, som er mere eller mindre opløselige i vand, og nogle har såkaldte stødpudeegenskaber eller bufferegenskaber, hvilket betyder, at pH holdes nogenlunde konstant i et givet område, næsten uanset langvarige påvirkninger fra for eksempel luftforurening.

Hvis der for eksempel er kalk (CaCO3) i jorden, vil jordens indhold af kuldioxid (fra respiration fra dyr og planter) betyde, at noget af denne uopløselige kalk vil være opløst, og pH vil svinge mellem 7 og 8.

I jorde, der ikke indeholder kalk, bestemmes pH af et andet stødpudesystem – nemlig mængden af base-kationer, som er knyttet til jordpartiklers overflader.

Jordbundens ler- og humuspartikler er ansvarlige for denne proces. Jordbundens base-kationer (kalcium-, magnesium- og kalium-ioner) stabiliserer pH i området mellem 4 og 7.

Ved et endnu lavere pH vil der ikke være baser tilstede, og pH vil derfor blive reguleret ved opløsning af aluminiumforbindelser, som kun er opløselige ved lavt pH.

Ved et endnu lavere pH vil forvitring (opløsning) af jernforbindelser i stigende grad dominere reguleringen af forsuringsniveauet.

Ifølge almindelig lærebogsteori skulle de undersøgte jorde befinde sig i jernbuffersystemet og dermed i et geokemisk miljø. som ville være ekstremt ugæstfrit for levende organismer. hvilket jo ikke er tilfældet.