Základy pedologie a ochrana půdy

Transkript

1 PŮDNÍ ORGANICKÁ HMOTA Základy pedologie a ochrana půdy 3. přednáška = soubor všech neživých organických látek nacházejících se na povrchu půdy či v ní složitý výzkum - neustálé reakce mezi organickými látkami samotnými a mezi nimi a půdním minerálním podílem Půdní humus: řada definic: totéž co půdní organická hmota odumřelé organické látky v různém stupni rozkladu a resyntézy, jejichž část je vázána na minerální podíl Význam půdní organické hmoty zásobárna energie, uhlíku a živin pro edafon i rostliny zadržování vody fyzikální vlastnosti půdy (struktura) chemické vlastnosti půdy: sorpce zadržování živin aj. látek půdní reakce (organické kyseliny, ústojná schopnost) tvorba komplexů půdotvorné procesy Obsahy C v různých složkách ŽP Světová bilance: (údaje se mírně liší podle literárních pramenů) Množství C v 1 9 t: Půda (org. C) Půda (anorg. C) Atmosféra Biomasa souše Oceány Ostatní Půda celkem Hodnocení obsahu OH v půdě Množství organické hmoty v půdě Obsah v humusovém horizontu (% hmotnosti) Obsah velmi nízký nízký střední % C org <,6,6 1,2 1,2 1,7 % humusu < ha 1. m 2 hloubka ornice ~,2 m 2. m 3 objemová hmotnost ~ 1,5 Mg.m Mg organická hmota ~ 2 % 6 Mg = 6 t vysoký 1,7 2,9 3-5 velmi vysoký > 2,9 > 5 Přepočet humusu a C org : Welteho koeficient 1,724 (=1/,58)

2 Metody stanovení obsahu OH v půdě Princip: oxidace organické hmoty Metody na suché cestě: ztráta žíháním (okolo 52ºC) žíhání nad kahanem muflová pec elementární analýza CHN-, CNS-analyzátory Metody na mokré cestě: oxidační činidla v roztoku např. chromsírová směs (K 2 Cr 2 O 7 v H 2 SO 4 ) modifikovaná Tjurinova metoda: 125ºC, 45 min. následná titrace Mohrovou solí (Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 ) Rozdělení půdní organické hmoty podle stupně přeměny Humusotvorný materiál: nerozložené odumřelé zbytky rostlin, živočichů a mikroorganismů Nehumusové látky (meziprodukty) : meziprodukty rozkladu a syntézy mají stanovitelné chemické charakteristiky Humusové látky vlastní humus: konečné produkty humifikačních pochodů Přeměny půdní organické hmoty Degradace: rozklad výchozího materiálu, částečná mineralizace tvorba monomerů kondenzace meziproduktů rozkladu a syntézy polymerace vytvořených kondenzátů či monomerů Změny v chemickém složení: zvyšuje se obsah C a snižuje obsah O snižuje se poměr C: N čerstvá org. hmota ~1-8 : 1 zhumifikovaná org. hmota ~1 : 1 Změny v chemickém složení v průběhu přeměn (% sušiny) Materiál C O H N Celuloza ,2, Rostliny ,8 1,6 Dubové dřevo , 1,3 Huminové kyseliny 57,6 32,5 5,1 4,8 Rašelina černá ,2 2,1 Hnědé uhlí ,6,9 Černé uhlí 83 1,5 5,1 1,2 Antracit 96 1,6 1,6,8 Grafit 99,9,,1, Humusotvorný materiál především rostlinné zbytky slouží jako: zdroj pro půdní mikroorganismy primární materiál pro produkci specifických i nespecifických humusových látek Rychlost rozkladu: závisí na chemickém složení (C/N) snazší rozklad: bílkoviny, celulosa pomalejší rozklad: lignin, lipidy, třísloviny Rychlost rozkladu opadu Rychle rozložitelný opad Dřevina Akát Olše lep. Olše šedá Jasan Habr Jilm C:N Pomalu rozložitelný opad Dřevina Lípa Dub Bříza Buk Javor Topol C:N Těžko rozložitelný opad Dřevina Smrk Borovice Douglaska Modřín C:N Zdroj: E. Klimo, Lesnická pedologie. MZLU, Brno, 199.

3 Mineralizace = rozklad organické hmoty na výchozí anorganické složky Mineralizace Význam mineralizace: uvolnění energie pro mikrobiální činnost uvolnění živin z organických vazeb (N, P) tvorba rozklad toxických látek podílejí se především obligátně aerobní mikroorganismy uvolňuje se, H 2 O, N 2, (NO 2-, NO 3-, NH 3 ), S. podléhá jí zpravidla 5-8 % organické hmoty především v lehkých půdách s převahou nekapilárních pórů Typy mineralizace: primární mineralizace nespecifických organických látek sekundární mineralizace již humifikovaných složek C vázaný v mikroagregátech Nechráněný Přeměna agregátů Ochrana půdní OH před mineralizací Adsorpce/desorpce C vázaný na prach a jíl Kvalita opadu Kondenzace, komplexace Nehydrolyzovatelný Nechráněný Fyzicky chráněný Biochemicky chráněný Ulmifikace (rašelinění) probíhá v prostředí s nadbytečnou vlhkostí a nedostatkem O 2 omezená chemická přeměna, neúplný rozklad hromadění energeticky bohatých látek slabá tvorba huminových látek, tvorba bitumenů Typy rašeliny: vrchovištní méně HK, více hemicelulosy a bitumenů v oligotrofním prostředí slatinná více HK, méně hemicelulosy a bitumenů v eutrofním prostředí Karbonizace = odbourávání snadno rozložitelných součástí rostlinných zbytků; ve zbylých částech dochází ke koncentraci C v karbonizované formě hlavně u větších úlomků rostlinných těl (kořenů) vzniká tzv. humusové uhlí proces není příliš prozkoumán Humifikace = tvorba složitějších a stabilnějších látek aromatické povahy nutné střídání aerobních a anaerobních podmínek přítomnost vícemocných kationtů (Ca 2+ ), ph Stadia humifikace: počáteční převládá rozklad biologický proces závěrečné převládá syntéza převládají fyzikálně-chemické a chemické reakce

4 Teorie tvorby humusu Ligninová teorie: lignin jako výchozí materiál podobnost ligninu a huminových kyselin: omezená rozložitelnost většinou bakterií a hub částečná rozpustnost v alkoholu a pyridinu rozpustnost v louzích a srážení v kyselinách obsah -OCH 3, kyselý charakter, výměna bází HK mají vlastnosti podobné oxidovanému ligninu Polyfenolová teorie: nejvíce HK je v obvykle půdách s nízkým vstupem ligninu celulosa a jiné neligninové substráty jako další výchozí látky Huminové látky organické látky polymery vytvořené humifikací, specifické pro půdu skupiny látek s podobným chemickým složením a vlastnostmi nejedná se o chemicky definované sloučeniny struktura: aromatická složka hydrofobní alifatická složka hydrofilní Nová teorie huminových látek (A. Piccolo aj.): nejedná se o velké polymery, ale o asociace menších molekul Tjurinovo schema rozdělení půdních organických látek Huminové látky: nerozpustné v alkáliích: humin (H); humusové uhlí (HU) rozpustné v alkáliích: huminové kyseliny (HK) hymatomelanové kyseliny (HY) fulvokyseliny (FK) Nehuminové látky: jednodušší: aminokyseliny a jiné org. kyseliny, jednoduché cukry složitější: celulosa, lignin, proteiny, hemicelulosy Látky rozpustné v organických rozpouštědlech (lipofilní látky) pryskyřice, bitumeny, vosky (lipidy) Extrakce huminových látek z půdy ZEMINA alkalická extrakce NaOH, Na 4 P 2 O 7 (ph ~12) Neextrahovatelný podíl Alkalický extrakt (H, HU) (HK, FK, HY) okyselení na ph 1-2 Sraženina (HK + HY) Roztok (FK) extrakce alkoholem Sraženina Alkoholový extrakt (HK) (HY) alkalická extrakce + elektrolyt Sraženina (šedé HK) Roztok (hnědé HK) Fulvokyseliny = sloučeniny extrahovatelné zředěnými kyselinami a ty, které zůstanou v roztoku po vysrážení HK z alkalického extraktu aromatický charakter s převahou bočních alifatických řetězců snadno disociují, silně hydrofilní ochranné koloidy působením elektrolytů se nesrážejí rozpustné ve vodě i jejich soli s Na +, NH 4+, Mg 2+, Ca 2+, Fe 2+ s Fe 3+, Al 3+ (R 2 O 3 ) tvoří cheláty přispívají k rozkladu minerálního podílu půdy žlutá až oranžově hnědá barva KVK až 7 mmol(+)/1 g Fulvokyseliny Charakteristické funkční skupiny: - COOH fenolické -OH, méně alkoholové metoxyl (-OCH 3 )

5 Huminové kyseliny = organické látky vysrážené kyselinami z alkalického extraktu výrazně aromatický charakter méně hydrofilní než FK rozpustné v alkáliích, nerozpustné ve vodě soli s Na +, K +, NH 4+ dobře rozpustné soli s Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+, Al 3+ těžko rozpustné nejsou agresivní vůči minerálnímu podílu půdy žlutohnědá až černošedá barva KVK: 35-5 mmol(+)/1 g Huminové kyseliny Charakteristické funkční skupiny: -COOH -OH (fenolické i alkoholové) s postupující polymerací ubývá metoxylových skupin ve větší míře C=O Huminy = organické látky neextrahovatelné zředěnými louhy mají pevnou vazbu s minerálním podílem směsi látek rozličného charakteru Hlavní rozdíly mezi huminovými látkami Fulvokyseliny Huminové kyseliny Huminy Světležlutá Žlutohnědá Tmavěhnědá Šedočerná Černá Význam v půdě: tmel při tvorbě půdní struktury tvorba organominerálního komplexu menší význam pro chemismus půdy 2 45% 48% vzrůst intenzity barvy vzrůst intenzity polymerace vzrůst molekulární hmotnosti? vzrůst obsahu uhlíku pokles obsahu kyslíku pokles výměnné kyselosti pokles stupně rozpustnosti 3 62% 3% Frakce huminových látek Hodnocení kvality humusu Stupeň polymerace: poměr HK:FK optické vlastnosti (VIS, IR) elektroforetické chování Fulvokyseliny Huminové kyseliny Humin Stupeň humifikace: poměr C:N densitometrická separace mikromorfologie frakcionace na látkové skupiny: C HK + CFK + C C tot H

6 Hodnocení kvality humusu Barevná charakteristika: alkalický výluh půdy A (,5M Na 4 P 2 O 7 ) proměření ve viditelné části spektra barevný kvocient: HK FK Kubelka Munk IR spektra (DRIFT) O-H skupiny C=O v COOH a ketonech 12 C=C - arom. cykly C-O v polysacharidech, Si-O příměsi H Kubelka Munk Kubelka Munk HK FK wavenumber [cm -1 ] Q 4/6 = A 4 /A λ (nm) Lambert-Beerův zákon: A=ε.c.l wavenumber [cm -1 ] wavenumber [cm -1 ] ROZPUSTNÉ ORGANICKÉ LÁTKY Zdroje a ztráty DOM = DOM (dissolved organic matter) nejmobilnější frakce organické hmoty Význam DOM: potenciální zdroj (živin, energie) pro organismy transport látek v půdě koloběh C, N, P stabilizace koloidů a agregátů zvětrávání a půdotvorné procesy indikátor stavu půdy Hlavní zdroje: rostlinné zbytky stabilní humus kořenové exudáty mikroorganismy Vedlejší zdroje: organická hnojiva výměšky živočichů Ztráty (propady): vymytí z půdy (~8%) mineralizace (dýchání) zabudování do biomasy adsorpce zejména v hlubších vrstvách Al a Fe (hydr)oxidy, jíly kompetice s anionty Faktory obsahu DOM v půdě Složení DOM množství a složení zdrojů DOM druh porostu poměr C/N biologická aktivita (zvláště houbové organismy) adsorpce a desorpce ph půdy složení půdního roztoku (SO 4 2-, PO 4 3- ) teplota vlhkost, srážky, promývání půdy promrzání a tání obdělávání půdy, hnojení odlesnění / zalesnění velmi proměnlivé!!! uhlovodíky jednodušší cukry fenolické sloučeniny aminokyseliny, alifatické a aromatické kyseliny (jablečná, citronová, šťavelová ) huminové látky (fulvokyseliny)