Chemické a spektrální vlastnosti humusových látek

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav agrochemie, půdoznalství, mikrobiologie a výživy rostlin Chemické a spektrální vlastnosti humusových látek Bakalářská práce Vedoucí práce: RNDr. Lubica Pospíšilová, CSc. Vypracovala: Lucie Boháčová Brno 2011

2

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Chemické a spektrální vlastnosti humusových látek vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne podpis bakaláře

5 PODĚKOVÁNÍ Srdečně děkuji své vedoucí bakalářské práce RNDr. Lubice Pospíšilové za ochotu, cenné rady a připomínky, které mi poskytla v průběhu zpracování bakalářské práce. Dále svým rodičům za podporu ve studiu na Mendelově univerzitě.

6 Abstract The aim of bachelor thesis Chemical and spectral properties of humic substances was to determine some of the chemical and spectral characteristics of isolated humic substances. We followed the standard international method (IHSSS) for isolation of humic acids samples. Humic acids were isolated from Luvi-haplic Chernozem (lokality Unčovice), Haplic Luvisol (lokality V. Knínice) and Fluvi-eutric Gleysol (lokality Žabčice). The highest quality was determined in humic acids isolated from Luvi-haplic Chernozem and Fluvi-eutric Gleysol. They contained more carbon and less hydrogen in their molecule. High quality of humic substances was confirmed by the position in Van Krevelen diagram, by absorbance in UV-VIS spectral range and by their maturity. Maturity of studied samples was evaluated according to Kumada and results showed that they represent type A. Humic acids isolated from Haplic Luvisol represent type B according to Kumada, so that their quality was lower. EDXS spectroscopy show wide spectrum of elements in HA molecule such as iron, titan, calcium, potassium, phosphorus, sulphur, zinc, cuprum, chlorine and silicon. Keywords: humic acids, UV-VIS and EDXS spectroscopy

7 Abstrakt Cílem bakalářské práce Chemické a spektrální vlastnosti humusových látek bylo stanovit některé chemické a spektrální vlastnosti izolovaných humusových látek. K jejich izolaci byla použita standardní mezinárodní metoda podle IHSS. Vzorky huminových kyselin byly izolovány z černozemě luvické (lokalita Unčovice), hnědozemě modální (lokalita V. Knínice) a fluvizemě glejové (lokalita Žabčice). Nejkvalitnější HK byly izolovány z černozemě luvické a fluvizemě glejové. Tyto HK obsahovaly více uhlíku a nejméně vodíku ve své molekule. Jejich vysokou kvalitu potvrzuje poloha v diagramu Van Krevelena, vysoká absorbance v UV-VIS oblasti spektra a zralost. Zralost HK byla posuzována podle Kumadu a výsledky ukázaly, že oba sledované vzorky představují typ A. Huminové kyseliny izolované z hnědozemě modální, měly nižší kvalitu než předchozí vzorky a řadíme je podle Kumadu k typu B. Rentgenofluorescenční (= EDXS) analýza ukázala, že půdní HK obsahují široké spektrum prvků ve své molekule - železo, titan, vápník, draslík, fosfor, síru, zinek, měď, chlor a křemík. Klíčová slova: huminové kyseliny, UV-VIS a EDXS spektroskopie

8 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE LITERÁRNÍ PŘEHLED Půdní humus Tvorba humusu Humus a jeho frakční složení Huminové kyseliny (HK) Hymatomelanové kyseliny Fulvokyseliny (FK) Humíny a humusové uhlí Další třídění humusu Význam humusových látek v půdě Humusové látky černozemí Humusové látky hnědozemí Humusové látky fluvizemí EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Objekt studia Popis lokalit Metody Stanovení celkového obsahu uhlíku v půdě Stanovení frakčního složení humusových látek Izolace HK Elementární složení a index Stanovení vlhkosti a popelovin Stanovení půdní reakce Stanovení aktivní půdní reakce potenciometricky Stanovení výměnné půdní reakce Půdní sorpční komplex Stanovení UV-VIS spekter Stanovení EDXS spekter Výsledky a vyhodnocení Chemické a fyzikálně - chemické vlastnosti... 33

9 4.3.2 Množství a kvalita humusových látek Elementární analýza HK Zralost HK Rentgenofluorescenční analýza HK ZÁVĚRY SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK PŘÍLOHY SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Popis půdního profilu fluvizemě Příloha 2 Popis půdního profilu černozemě Příloha 3 Popis půdního profilu hnědozemě... 47

10 1 ÚVOD Půda (pedosféra) je nejsvrchnější vrstva zemské kůry. Vznikala dlouhé tisíce let zvětráváním matečních hornin a organických zbytků. Na procesu zvětrávání se podílí mnoho půdotvorných činitelů, jako jsou např. vítr, voda, rostliny, živočichové, činnost člověka a další. Půdu je třeba chápat komplexně, je to složitý dynamický systém s vlastní auto-transformační a transportní schopností. Je životním prostředím půdních organismů, stanovištěm planě rostoucí vegetace a slouží k pěstování kulturních rostlin. Je regulátorem koloběhu látek, může fungovat jako úložiště, ale i zdroj potenciálně rizikových látek. Charakteristickým znakem a specifickou vlastností je úrodnost půdy. Patří mezi nejcennější přírodní bohatství. Podle Hraška (1988) ji můžeme obrazně nazvat srdcem životního prostředí. Rozdílně může být chápána z pohledů různých profesí. Pro zemědělce a lesníka je to základní výrobní prostředek. Z pohledu geologie jde o zvětralou povrchovou část zemské kůry, která obsahuje organické zbytky. Pro chemika je zásobárnou prvků a sloučenin, které jsou nezbytné pro výživu rostlin. Z ekologie je to prostředí půdního edafonu, který se účastní základních koloběhů v přírodě. Obrázek 1 Základní členění půdních horizontů (zdroj: 9

11 2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce bylo vypracovat literární rešerši o chemických a spektrálních vlastnostech humusových látek. Dále jsme izolovali huminové kyseliny z vybraných půdních typů a porovnávali jejich chemické a spektrální vlastnosti. Výsledky byly porovnány s dostupnou literaturou. Huminové kyseliny byly izolovány z následujících půdních typů: Fluvizemě glejové Černozemě luvické Hnědozemě modální Bylo stanoveno elementární složení huminových kyselin a vypočítány atomové poměry prvků. Tyto nám dovolují podrobněji charakterizovat strukturu a stabilitu molekuly huminové kyseliny. Byl sestaven diagram van Krevelena, který podrobněji charakterizuje vlastnosti izolovaných huminových kyselin. Dále byly studovány spektrální vlastnosti huminových kyselin pomocí UV-VIS spektroskopie a rentgenofluorescenční spektroskopie. Bakalářská práce byla vypracována s podporou projektu NAZV QH 81200: Optimalizace vodního režimu v krajině a zvýšení retenční schopnosti krajiny uplatněním kompostu z biologicky rozložitelných odpadů na orné půdě i trvalých travních porostech. 10

12 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Půdní humus Humus je soubor odumřelých organických látek rostlinného i živočišného původu. Tyto látky jsou v různém stupni přeměny. Je to nejúrodnější část půdy. Humus je organická půdní hmota procházející neustálými změnami, jak po stránce chemického složení, tak i po stránce vlastností a funkcí v půdě (Jandák a kol., 2010). Humusotvorný materiál je tvořen čerstvě odumřelými částmi rostlin či celými rostlinami, živočichy a mikroorganismy, včetně jejich produktů metabolismu. Je to organická hmota, která nebyla dosud dotčena rozkladnými procesy. Hlavní zdroj humusového materiálu v orných půdách jsou podzemní části rostlin, posklizňové zbytky, ale i celé rostliny při zeleném hnojení. Do tohoto materiálu patří i chlévský hnůj, odumřelý zoo a fytoedafon. 3.2 Tvorba humusu Odumřelé organické látky, které se dostávají do styku s půdou, podléhají kvantitativně odlišným přeměnám. Tyto přeměny závisí na prostředí a původu, na transformaci organických látek a povahu výsledných produktů. Proces mineralizace vede k přeměně organické hmoty až na jednoduché anorganické látky s uvolňováním energie. Je to nejkrajnější proces, probíhá při příznivých vlhkostních a teplotních podmínek, u půd lehčích a silně provzdušněných. Za těchto podmínek se silně rozvíjí činnost aerobních bakterií, které rozkládají organickou hmotu (Jandák a kol., 2010 a Ledvina, 2000). V extrémních podmínkách za nepřístupu vzduchu může dojít k procesu rašelinění a uhelnatění. Zejména na zamokřených lokalitách, kde je nízká teplota, nedostatek živin a kyselá reakce. Uplatňují se anaerobní bakterie. Organické látky se hromadí ve vrstvách jako rašelina. Vlastní humifikace, při níž se tvoří pravý nebo také vlastní humus, je převážně procesem anaerobním. Je to složitý soubor mikrobiologických, enzymatických a biochemických pochodů, při kterých se z meziproduktů rozkladu organické hmoty tvoří nové látky, označované jako látky huminové (Jandák a kol., 2007). 11

13 3.3 Humus a jeho frakční složení Humus podle chemického složení rozdělujeme do dvou základních skupin: nespecifické humusové látky specifické humusové látky Mezi nespecifické humusové látky patří organické kyseliny, bílkoviny, pektiny, glycidy, tuky, vosky, třísloviny, pryskyřice aj. Jsou lehce rozložitelné a snadno odbouratelné mikroorganismy. Tvoří živinnou a energetickou zásobu půdy a nejsou tmavě zbarveny. Přítomnost těchto látek je nezbytnou podmínkou biologické aktivity půdy. Jsou tvořeny vysokomolekulárními organickými sloučeninami a tvoří cca % z celkové organické hmoty v půdě. Schéma frakcionace humusových látek podle Stevensona (1982) uvádíme na obrázku č.2. Obrázek 2: Chemické vlastnosti humusových látek podle Stevensona (1982) Druhou skupinou jsou specifické humusové látky, mezi které patří huminové kyseliny, hymatomelanové kyseliny, fulvokyseliny, humíny a humusové uhlí. 12

14 3.3.1 Huminové kyseliny (HK) Představují nejhodnotnější produkt humifikace. Jsou tmavé barvy, s cyklickou stavbou, rozpustné a alkáliích, v kyselinách se vysrážejí. Chemické složení udávají různí autoři v rozmezí: C %, H 2-6 %, O %, N 2-6 %. Jejich základní složkou je aromatické jádro fenolického nebo chinoidního typu. Obsah uhlíku je různý mezi jednotlivými půdními typy. Nejvyšší je u černozemí naopak nejnižší u podzolů. Mají vysokou sorpční schopnost a porézní stavbu. Vyskytují se i ve formě solí s různými kationty, tyto soli označujeme jako humáty. Schéma struktury HK podle Piccolo (2002) uvádíme na obrázku č.3. Obrázek 3: Supra-molekula HK podle Piccolo (2002) 13

15 3.3.2 Hymatomelanové kyseliny Považujeme za součást huminových kyselin, oddělují se od sebe alkoholovou reakcí. Mají žluté až žlutohnědé zbarvení a nižší molekulovou hmotnost než huminové kyseliny Fulvokyseliny (FK) Fulvokyseliny jsou nejsvětlejší, žluté až hnědé barvy a mají nejnižší molekulovou hmotnost. Jsou rozpustné ve vodě a kyselinách, velmi pohyblivé a lehce se přemísťují v půdním profilu. Podle Jandáka (2009) obsahují: C %, H 4-6 %, O %, N 2-6 %. Schéma struktury FK podle Weber (1997) uvádíme na obrázku č.4. HOOC HOOC OH COOH CH 2 CH 2 OH COOH CH 2 OH CH C CH CH 3 O CH 2 COOH CHOH CH 2 C COOH O Obrázek 4: Předpokládaná struktura molekuly FK Weber (1997) Humíny a humusové uhlí Představují nejstabilnější část humusu. Humín má nejvyšší molekulovou hmotnost a má tmavou barvu. Jsou nerozpustné v kyselinách, zásadách a nejodolnější k mikrobiálnímu rozkladu. Humusové uhlí je nejstarší složka organické půdní hmoty. Je to zuhelnatělá tmavá hmota bohatá na uhlík a dusík. Neúčastní se ale půdotvorného procesu a proto nemá funkci pravého humusu. 14

16 3.3.5 Další třídění humusu Podle funkcí v půdě se půdní organická hmota dělí na tři základní skupiny: materiál humusotvorný meziprodukty humifikačních procesů vlastní humus Vlastní humus můžeme ještě dále rozdělit na: humus živný humus stálý (trvalý) Celkový humus dělíme podle Steinberga et al. (2006) na povrchový (ektohumus) a vlastní (endohumus) kde: nadložní humus (synonymum povrchový, pokryvný humus) je organická hmota uložená na povrchu půdy. Skládá se většinou z více dílčích horizontů, tj. horizontů či vrstev, tvořených téměř výhradně organickou hmotou a s minimálním podílem minerálních částic půdy. vlastní humus (synonymum pravý, půdní humus) je tvořen komplexem specifických tmavě zbarvených organických látek, většinou vysokomolekulárních sloučenin, které jsou výsledkem biologicko-chemických procesů přeměny organické hmoty v půdě, tedy výsledkem humifikace. Z podstatné části jej tvoří huminové látky, popř. promíšené s minerální hmotou půdy. Nadložní humus vzniká hromaděním polorozložených a rozložených zbytků rostlin a zčásti exkrementů drobných živočichů na povrchu minerální půdy za aerobních podmínek. 15

17 Podle fyzikálního stavu, morfologických znaků a poměru C: N rozlišujeme mul, moder a mor hydromorfního resp. terestriálního typu. V lesnictví vychází třídění nadložního humusu (Šarapatka, 1996) z prací dánského lesníka Mullera, který poprvé již v roce 1887 označil výše uvedené základní formy mor a mull. Mor (surový humus) - se tvoří za nepříznivých podmínek, převážně na kyselých, minerálně chudých půdách ve vlhkém a chladném klimatu. K tvorbě přispívá hromadění odumřelých částí acidofilních druhu rostlin a opad jehličí. Na rozkladu organické hmoty se podílejí houby a plísně. Činnost zooedafonu je omezena. Profil se vyznačuje: L horizontem (mocný, hromadí se víceletý opad) Of horizontem (mocný) H horizontem (mělký nebo chybí) Moder - je přechodem mezi morem a mullem. Proces tvorby probíhá v kyselém prostředí pří účasti půdní fauny (chvostoskoci, roztoči, stonožky, larvy hmyzu aj.). Mikroflóru představují houby. Má dobře vyvinutý F-horizont a poměr C:N činí Mull (sladký humus) jeho tvorba probíhá za příznivých podmínek. Tvoří se pod listnatými nebo smíšenými porosty, na půdách propustných a dobře zásobených živinami a hlavně v mírném až teplém klimatu. 16

18 3.5 Význam humusových látek v půdě Význam humusových látek (HL) je mnohostranný a spočívá v ovlivňování všech půdních vlastností působících na obsah živin v půdě i na půdní úrodnost. Je důležitým faktorem drobtovité struktury půdy. Příznivě působí na biologické, biochemické a fyzikální vlastnosti půd. Vede k vysokému poutání živin v půdě. Z níže uvedených funkcí humusových látek v ekosystému vyplývá, že představují důležitý ukazatel hodnocení kvality/zdraví půdy. Půdotvorná funkce HL spočívá v působení HL na mineralogické složení půdy. Společně s dalšími organickými látkami a mikroorganismy účastní pedogeneze. Rovněž formování půdního profilu úzce souvisí s obsahem HL a jeho složením. Nejaktivnější v tomto ohledu jsou fulvokyseliny, které obsahují více COOH skupin a OH skupin ve své molekule v porovnání s HK. Lehce migrují v půdním profilu a zvyšují eluviaci a iluviaci nízko molekulových sloučenin (hlavně Fe a Al) ve formě organo-minerálních komplexů (Chenu et al., 2002, Laird et al., 2001). Fyzikální funkce HL - spočívá v ovlivňování fyzikálních vlastností půdy, tj. tepelného a vodního režimu půdy, technologických vlastností, barvy, struktury, agregační schopnosti a pórovitosti. Hlavní účinek HL při agregaci se projevuje ve změně smočivosti agregátů (Stevenson, 1982). Chemická funkce HL spočívá v ovlivnění sorpční kapacity a pufrační schopnosti. Výrazná je sorpce hlavně kationtů ( mmol/kg), což zvyšuje KVK půdy. HL se účastní rovněž oxidačně-redukčních pochodů v půdě a plní zásadní roli při výživě rostlin. Nutriční vyživovací funkce HL spočívá v poskytování biogenních prvků v přijatelné formě pro rostliny. HL mají chelatizující účinek na Cu (II) Mn (II) a Zn (II) a na další vícemocné kationty, čímž umožňují jejich přístup rostlinám. Rozkladem a mineralizací půdní organické hmoty se uvolňují makro-živiny jako C, N, S, P. Biologická funkce HL se projevuje jejich stimulačním účinkem. Ovlivňují např. biologickou aktivitu, růst kořenových buněk, zvyšuje se odolnost rostlin vůči stresu, stimuluje se kořenová mikroflóra a biodiverzita mikroorganismů. V některých případech vykazuje aktivitu porovnatelnou s enzymy. 17

19 Metody stanovení kvality humusových látek Kvalita humusových látek byla zjišťována pomocí vybraných chemických a spektrálních metod, které podrobně uvádíme dále. Elementární Analýza spočívá ve stanovení celkového obsahu C, H, N, O, S v jejich molekule. V současnosti se používají automatické elementární analyzátory. Obsah jednotlivých prvků a jejich poměr charakterizují molekulu huminové kyseliny (HK) po chemické stránce. Stanovení obsahu jednotlivých prvků v molekule je taktéž nevyhnutelné pro zdůvodnění vztahu přírodních organických sloučenin ke skupině humusových látek. Jednou z metod je spalování vzorku HK v proudu helia s přídavkem vysoce čistého kyslíku při teplotě 1030 o C. Spalné produkty - N 2, CO 2, H 2 O se kvantitativně analyzují po separaci na GC koloně s detekcí (tepelno-vodivostní detektor TCD). Jako účinný katalyzátor se používá oxid wolframový. Preparáty HK jsou analyzovány v práškovém stavu, vysušené, a rozdrcené v achátové misce, s minimálním množstvím popelovin. Výsledky analýzy se přepočítávají podle procentuálního obsahu popelovin a podle vlhkosti vzorku z hmotnostních procent na atomová procenta. Samotné stanovení je poměrně rychlé a vyžaduje minimální množství vzorku (pár miligramů). Podle atomových poměrů prvků v molekule HK posuzujeme jejich strukturu a můžeme sestavit diagram Van Krevelena. UV-VIS spektroskopie patří mezi nedegradační techniky studia kvality humusových látek. Zahrnují stanovení absorbance v ultrafialové a viditelné (UV-VIS) oblasti spektra v rozsahu od nm. Předností spektrálních metod je možnost použití malých navážek a sledování chemických vlastností bez větších deformací, což nám umožňuje poznat chemickou podstatu a strukturu jejich molekul (Pospíšilová a Tesařová, 2009). Huminové kyseliny mají vysokou intenzitu světelné absorbance v UV-VIS oblasti, proto můžeme použít elektronové absorpční spektra pro charakteristiku těchto makromolekulárních látek. Jak uvádějí Stevenson (1982) a Kumada (1987) můžeme alespoň částečně charakterizovat strukturu, typy vazeb v molekule a posoudit jejich zralost. Spektrální čáry (barevné křivky) představují závislost absorbance huminových kyselin (resp. log absorbance) na vlnové délce (lambda, nm) a jejich tvar závisí na chemickém složení HK (tj. na intenzitě zbarvení měřeného roztoku). S poklesem absorbance humusových 18

20 látek rostou hodnoty barevného indexu (Q 4/6 ) vypočítaného ze spekter. Princip stanovení barevných křivek a indexu vychází z Lambert Beerova zákona: A = log Io /I = log 1/T = E. C. L Kde: A = absorbance (optická hustota) Io = intenzita záření před vstupem do kyvety I = intenzita záření po přechodu kyvetou T = transparence E = molární extinkční koeficient C = molární koncentrace L = tloušťka kyvety Barevný index (Q 4/6 ) zavedl Welte (1963) a definoval ho jako poměr absorbancí čirých roztoků HK při 400 nm a 600 nm. Tuto metodu dále rozpracovali a využili Orlov (1985) a Kumada (1987). Zralost HK lze stanovit z měření absorbance v UV-VIS oblasti spektra podle Kumadu (1987), který vychází z rozdílu logaritmických hodnot absorbance při 400 nm (E 1% 4) a při 600 nm (E 1% 6). Podle hodnot koeficientu log K můžeme rozdělit HK na typy: A, B a Rp podle zralosti: Typ A představuje HK s vysokým stupněm humifikace (hodnoty log K do 0,60). HK v této skupině jsou vysoce stabilní, mají vysokou molekulovou hmotnost a vysoký stupeň kondenzace a obsah aromatických skupin. Typ B je skupina HK s hodnotou log K od 0,60 do 0,80. Tyto HK mají nižší molekulovou hmotnost a nižší stupeň humifikace. Typ Rp představuje HK s hodnotou log K od 0,80 do 1,10. Tato skupina obsahuje HK s nejnižší molekulovou hmotností a s nejnižším stupněm humifikace a vysokým obsahem alifatických skupin. 19

21 Rentgenofluorescenční analýza patří do metod atomové emisní spektroskopie subvalenčních elektronů. Dává základní informaci o struktuře látek. Podle mechanismu interakcí s přihlédnutím k různé vlnové délce záření se měření provádějí většinou ve velmi krátkých vlnových délkách. Fyzikální podstata této metody spočívá v tom, že každý atom je při dostatečném vybuzení schopen vysílat nebo naopak absorbovat rentgenové záření ze spojitého rentgenového spektra. Bombardování urychlenými elektrony probíhá v rentgenové trubici (Waňková, 1984). Rentgenové spektrum (RS) je složeno ze spojitého rentgenového spektra a charakteristického rentgenového spektra (tzv. rentgenová fluorescence). K buzení používáme radio-nuklidy a celkový proces od vzniku rentgenového spektra po analytické vyhodnocení má čtyři etapy: 1) buzení charakteristického rentgenového spektra 2) monochromatizace vybuzeného rentgenového záření 3) detekce rentgenového záření 4) zpracování naměřených dat Přístroje je možné rozdělit do dvou základních kategorií: 1) Přístroje vlnově - disperzní 2) Přístroje energiově - disperzní Rentgenová fluorescenční analýza se dělí: Absorpční metody ve velmi krátké oblasti vlnových délek (X paprsky), např. metoda EXAFS = Extended X ray Absorption of Fine Structure, která klasifikuje koordinaci atomu v krystalové mřížce a vzdálenost mezi částicemi; Emisní metody (XAPS = X ray Apparance Potential Spectrometry, měří se emitované měkké rentgenové záření, PIXE = Proton Induced X ray Emission, kde se měří emise X paprsků po ozáření látky svazkem urychlených protonů, ICP měří se radiofrekvenční indukčně vázaný výboj s fotoelektrickým detektorem. 20

22 Pomocí EDXS energiově - disperzní spektroskopie můžeme zjistit okamžitý obsah prvků v molekule huminové kyseliny. Princip energiově-disperzní metody je uveden podrobně v práci Černohorský a kol. (1997). Na obrázku uvádíme schéma energiovědisperzního spektrofotometru Obrázek 5: Schéma energiově - disperzního spektrofotometru (Černohorský a kol. 1997) Kde: 1. Rentgenová trubice 2. vzorek 3. detektor 4. předzesilovač 5. zesilovač 6. multi-kanálový analyzátor 7. počítač 8. obrazovka 9. tiskárna 21

23 3.6 Humusové látky černozemí Černozemě patří do referenční třídy černosoly spolu s černicemi. Jsou to hlubokohumózní půdy s tmavým černickým horizontem Ac. Půdotvorný substrát je spraš, písčitá spraš a slíny (Němeček a kol., 2001). U černozemí rozlišujeme následující subtypy: černozem modální černozem luvická černozem pelická černozem černická černozem arenická V typické formě se nacházejí v nadmořských výškách do 300 až 400 m. Průměrná roční teplota dosahuje nad 8 C. Roční úhrn srážek je od mm. Základním pedogenetickým procesem je černozemní humifikace a akumulace humusu. Tmavý černozemní humusový horizont má příznivé fyzikální i chemické vlastnosti (Prax a Pokorný 2004). Obsah humusu u našich černozemí se pohybuje v rozmezí od 2,2 4,5 % což jsou středně humózní půdy. Poměr HK: FK > 1,5. Patří k našim nejúrodnějším půdám, jsou využívané jako orná půda. Tvoří 11 % ZPF (Němeček a kol., 1990). 22

24 3.7 Humusové látky hnědozemí Hnědozemě patří mezi luvisoly podle taxonomického klasifikačního systému půd ČR Mají luvický Bt horizont pod ochrickým až melanickým A horizontem, nemají eluviální E horizont. Vznikají typickou illimerizací, je to proces, při kterém se částečky jílu pohybují ve svislém směru. Ochuzené a obohacené horizonty se liší zejména barvou, zrnitostí a skladbou. Půdotvorný substrát jsou spraše nebo sprašové hlíny (Němeček a kol., 2001). U hnědozemí rozlišujeme následující subtypy: hnědozem modální hnědozem luvická hnědozem rubifikovaná hnědozem oglejená hnědozem pelická Nacházejí se v nížinách a v rovinných polohách do 450 m.n.m, s průměrnou roční teplotou 7,5 8,5 C. Roční úhrn srážek je mm. U hnědozemí je potřeba pravidelně vápnit a hnojit organickými hnojivy. Obsah humusu u hnědozemí je kolem 2 % a kvalita je vysoká a poměr HK/FK je větší než jedna. Jsou náchylné ke zhutnění, proto musíme hloubkově kypřit. Představují 13 % ZPF (Němeček a kol., 1990). 23

25 3.8 Humusové látky fluvizemí Fluvizemě patří do referenční třídy fluvisoly a vznikají z nivních sedimentů. Dochází u nich k procesu, který nazýváme ripening (zrání). Jsou ovlivňovány podzemní vodou. Mají nepravidelný obsah organických látek v celém půdním profilu a různý stupeň vrstevnatosti (Němeček a kol., 2001). U fluvizemí rozlišujeme následující subtypy: fluvizem modální fluvizem stratifikovaná fluvizem kambická fluvizem oglejená fluvizem glejová fluvizem karbonátová fluvizem psefitická fluvizem arenická fluvizem pelická Při jejich vývoji se uplatňuje proces akumulace humusu a zrání. Vyskytují se v nivách řek a potoků a tvoří 6 % ZPF. Čím větší nadmořská výška, tím klesá sorpční nasycenost profilu a narůstá v ornici obsah humusu. Obsah humusu se pohybuje v rozmezí od 1,9 3,8 %, kromě fluvizemě glejové, kde může být obsah nižší. Kvalita humusu je vysoká a poměr HK/FK je větší než jedna. Jedná se o velmi úrodné půdy (Němeček a kol., 1990). 24

26 4 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 4.1 Objekt studia Popis lokalit Žabčice - se nacházejí na území okresu Brno venkov (jihomoravský kraj). Oblast je tvořena neogenními sedimenty. Experimentální pokusné plochy, které se zde nacházejí, patří Školnímu zemědělskému podniku Mendelovy univerzity v Brně. Plochy byly založeny v letech V této lokalitě byly vykopány dvě půdní sondy. První sonda se nachází na lokalitě zvané U tratě, je zde vinohrad na černozemi arenické. Druhá sonda se nachází na místě zvaná Obora (fluvizem glejová). Pozemky jsou rovinného charakteru s nadmořskou výškou cca 179 m.n.m. Jedná se o oblast teplého klimatického podnebí, s mírnou zimou. Roční úhrn srážek je mm s průměrnou roční teplotou 8 9 C. Vzorky byly odebrány z horizontu Alp (0 15 cm). Půdní sonda je lokalizována na orné půdě se souřadnicemi GPS 49 21,366 N, 16 37,0332 EO s nadmořskou výškou 179 m. viz Tab. 1. Popis půdního profilu je uveden v příloze č. 1. Obrázek 6: Pracoviště Žabčice (zdroj: http: // 25

27 Unčovice - leží v Olomouckém kraji, na severu střední Moravy. Oblast je tvořena nivou Moravy. Dominuje 3. dubovo bukový vegetační stupeň (Culek, 1996). Patří do řepařské výrobní oblasti s nadmořskou výškou 227 m. Povrch regionu tvoří sedimenty mladého kvartéru - uloženiny nivy Moravy jsou z části kryté hlínami, sprašemi a sprašovými hlínami. Výšková členitost reliéfu je do 30 m, při okrajích s plochými pahorkatinami s členitostí m. Oblast spadá převážně do teplé oblasti T2 a je dostatečně zásobena srážkami. V zimě se zde vyskytují teplotní inverze regionálního rozsahu. V zastoupení půd zde převažují glejové fluvizemě, v oblastech mimo nivu jsou hojné hnědozemě na spraších. U Uničova byla zkoumána lokalita černicových a hnědozemních černozemí. Na severu od Olomouce je významná lokalita organozemí (slatin). Vzorky byly odebrány z horizontu Apc (0-30cm). Půdní sonda je podle GPS lokalizována na 49 37,217 N, 17 08,759 EO při nadmořské výšce 240 m. viz Tab. 1. Popis půdního profilu je uveden v příloze č. 2. Obrázek 7: Letecký snímek Unčovice (zdroj: 26

28 Veverské Knínice - jsou součástí okresu Brno - venkov, leží 20 km od Brna směrem na západ a území se nachází v Boskovické brázdě. Na východ se rozkládá zalesněná oblast Podkomorské lesy, která je přírodním parkem. Převážnou část parku tvoří listnaté dubo habrové lesy s průměrnou nadmořskou výškou 450 m. Park je prameništěm mnoha potoků. Oblast se nachází v klimatickém regionu teplý, s mírnou zimou. Roční úhrn srážek mm a průměrná roční teplota je 8 9 C. Geologií patří území Boskovické brázdy mezi Brněnskou vyvřelinu a Drahanskou vysočinu. Reliéfem jsou pahorkatiny s mírnými až prudšími svahy. Sonda byla lokalizována na orné půdě před přírodním parkem Podkomorské lesa (Quitt, 1971, Němeček a kol., 1965, Culek, 1996). Vzorky byly odebrány z horizontu Alp (0-35cm). Půdní sonda, ze které byly vzorky odebrány se nachází na 49 13,801 N, 16 25,067 EO s nadmořskou výškou 325 m. viz Tab. 1. Popis půdního profilu je uveden v příloze č. 3. Obrázek 8: Letecký snímek Veverské Knínice (zdroj: 27

29 4.2 Metody Stanovení celkového obsahu uhlíku v půdě Nejčastější používaná metoda je stanovení na mokré cestě a má řadu modifikací. Jedná se o oxidaci organického uhlíku kyslíkem oxidantu (dvojchromanu draselného) v prostředí kyseliny sírové. Výpočet obsahu C org (%): C org = (10 c x B x 0,5) x 0,003 x 100 g kde: c koncentrace roztoku Mohrovy soli B spotřeba Mohrovy soli na titraci vzorku g navážka vzorku zeminy Následující přepočet uhlíku na humus: Humus ( %) = % C ogr x 1, Stanovení frakčního složení humusových látek Principem stanovení je to, že soli HK, tedy humáty jsou při reakci s pufrovacím roztokem pyrofosforečnanu sodného nerozpustné a tvoří sloučeniny pyrofosfátů s Ca, Mg, Al a Fe. Dochází k uvolnění rozpustných a sodných humátů, které jsou extrahovány ze vzorků. Jsou při tom stanoveny všechny humusové látky. Ze zjištěných hodnot se vypočítá poměr HK: FK. 28

30 4.2.3 Izolace HK Standardní metoda vychází z práce Stevensona (1982). Zmíněná metoda umožňuje získání tří základních frakcí humusových látek: huminové kyseliny, humíny a fulvokyseliny. Princip spočívá v extrakci humusových látek směsí 0,5 M NaOH a O,1 M Na 4 P Rozpuštěné huminové kyseliny jsou vysráženy koncentrovanou HCl a odstředěním jsou odděleny od fulvokyselin. Důležité je dočištění směsi HCL + HF a dialýza preparátů HK. Oddělené preparáty se lyofilizují a před analýzou je nutno podrtit v achátové misce. Pro detailní studium změn, ke kterým dochází v důsledku různé antropické činnosti, je nevyhnutelné izolovat huminové kyseliny a sledovat změny v jejich chemické struktuře (Cyplenko, Teresenková, 1989) Elementární složení a index Stanovení elementárního složení je jednou ze základních chemických charakteristik, je to obsah uhlíku, vodíku, dusíku a kyslíku v molekule huminových kyselin. Kvantitativní analýza HK umožňuje objasnit zvláštnosti humifikace, jejich strukturu a stabilitu. Analýza je nevyhnutelná pro posouzení vztahu přírodních organických sloučenin ke skupině humusových látek. Na stanovení elementárního složení HK byl použitý automatický elementární analyzátor PE 2400 CHNS/O. Preparáty HK, které byly izolovány byly v práškovém stavu, vysušené a rozdrcené v achátové misce s minimálním podílem popelovin podrobeny elementární analýze. Z výsledků analýzy byly vypočítány atomové poměry zastoupení jednotlivých prvků. Ty sloužily k posouzení stability a struktury HK ( C/O, C/H, C/N, O/H, O/C). Atomové poměry prvků umožňují identifikovat i některé mechanismy transformace určitých skupin humusových látek v půdě jak uvádějí Orlov (1985), Kumada (1987), Van Krevelen (1950). Z hodnot atomových poměrů byl sestaven diagram Van Krevelena. 29

31 4.2.5 Stanovení vlhkosti a popelovin Základní stanovení, bez kterého jsou ostatní stanovení nepřesná, je procentuální stanovení vlhkosti a popelovin v huminových kyselinách. Orlov (1985) uvádí, že kvalitně vyčištěné huminové kyseliny by neměly mít větší zastoupení popelovin než 0,5 3 %. Pro běžné analýzy se doporučuje obsah 5 8 % popelovin. Vlhkost huminových kyselin jsme stanovili do konstantní hmotnosti sušením při 130 C (cca 3 hodiny). Žíháním ve spalovací peci v atmosféře kyslíku při 1000 C jsme stanovili popeloviny (cca 2 hodiny). Výsledky kvantitativních chemických a fyzikálně chemických analýz huminových kyselin jsou korigované na procento vlhkosti a popelovin. Vzájemný vztah elementárního složení a dalších vlastností huminových kyselin nám umožňuje hlouběji popsat stav humifikace konkrétní huminové kyseliny Stanovení půdní reakce Půdní reakce je dána koncentrací vodíkových iontů, které vytvářejí ve vodních roztocích kationty H 3 O 3+. V půdě se vodíkové ionty nacházejí v půdním roztoku, pak se jedná o aktivní reakci (ph/h 2 O) nebo tvoří potenciální reakci, kdy jsou výměně sorbovány půdními koloidy. Podle Jandáka a kol., 2009 se potenciální reakce dělí na výměnnou (ph/kcl) a hydrolytickou (mmol H + / 0,1 kg půdy). Aktivní a výměnná půdní reakce u našich vzorků byla zjištěna potenciometrickou metodou (Jandák a kol., 1989 a Zbíral a kol., 1997) Stanovení aktivní půdní reakce potenciometricky Aktivní reakce udává koncentraci vodíkových iontů ve vodním výluhu nebo suspenzi půdy. (Jandák a kol., 2010). Aktivní kyselost jsme zjišťovali potenciometrickým měřením koncentrace H + v půdním roztoku. Nejčastěji se tato půdní reakce vyskytuje v půdách odvápněných, sorpčně nenasycených s vysokým podílem adsorbovaných iontů H + a Al

32 Stanovení výměnné půdní reakce Výměnnou kyselost jsme zjistili naměřením koncentrace H + iontů ve výluhu půdy 1 M KCl. Výměnná reakce má nižší hodnoty ph než aktivní reakce a je určována ve vodním výluhu. Výměnná reakce je důležitějším ukazatelem zejména pro stanovení charakteristik sorpčního komplexu a stavu jeho nasycenosti (Jandák a kol., 2009). Je také důležitá při stanovení potřeby vápnění. Některé rostliny nejsou schopny růst na půdách s hodnotou ph nižší jak 3,5 a vyšší jak 9. Principem metody je, že ionty vodíku, které jsou poutané půdními koloidy se vytěsní draselnými ionty Půdní sorpční komplex Půdní sorpční komplex je složen z vysoce disperzních minerálních, organických a organo-minerálních složek Schopnost sorbovat z vnějšího prostředí, zejména z půdního roztoku na svůj povrch různé látky je významná vlastnost půdních koloidů. V našich půdách má většina půdních koloidů záporný náboj. Základní hodnoty, které charakterizují stav sorpčního komplexu jsou podle Jandáka a kol. (2009) následující: obsah výměnných bází (S) - udává okamžitý obsah výměnných bází poutaných půdním sorpčním komplexem (v mmol. kg 1 zeminy) maximální sorpční kapacita (T) - udává maximální množství výměnných kationtů a bází, které půda může poutat (v mmol. kg 1 zeminy) stupeň sorpčního nasycení (V) - udává poměr obsahu bazických kationtů a maximální sorpční kapacity (%). Stav sorpčního půdního komplexu lze stanovit řadou metod. Metoda Kappenova je klasická, není však vhodná pro půdy s obsahem karbonátů vyšším než 0,3 % a pro půdy zasolené (Jandák a kol., 1989 a Zbíral a kol., 1997). 31

33 4.2.8 Stanovení UV-VIS spekter Zjišťování barevného indexu Q4/6 a tzv. barevné křivky je hlavní využití UV VIS spekter. Princip stanovení vychází z mezinárodní metody IHSS. Barevný index Q4/6 byl stanoven jako poměr absorbance při vlnové délce 465 a 665 nm. Měření bylo provedeno na spektrometru VARIAN CARY PROBE 50 při intervalu od nm po 1 nm. Parametry spektrometru jsou uvedeny v tabulce č.6. Barevné spektra humusových látek byly naměřeny ve směsi 0,1 M pyrofosforečnanu sodného a O,1 M NaOH. Typy zralosti podle Kumadu (1987) jsme hodnotili již dříve. Barevné křivky a indexy v UV VIS oblasti spektra mohou jen z části charakterizovat strukturu, typy vazeb v molekule, disperitu a stupeň kondenzace u HK. Pro bližší určení jsme humusové látky určovali s použitím fluorescenční a energiově - disperzní rentgenové spektroskopie. Huminové kyseliny jsou u kvalitních půd jako černozemě a hnědozemě velmi nízké, s hodnotou barevného indexu Q4/6. U fulvokyselin jsou hodnoty barevného indexu Q4/6 naopak vysoké. Podrobný postup stanovení uvádějí Pospíšilová a Tesařová (2009) Stanovení EDXS spekter Rentgenofluorescenční spektra byly naměřeny na přístroji Xepos (Spectro APS). Výhodou energiově disperzních rentgenových spektrometrů je, že rádionuklidový zdroj i detektor je možné umístit blízko vzorku, a proto jsou ztráty při záření minimální. Další výhoda je snížení spojitého pozadí a zlepšení detekčních limitů na úroveň srovnatelnou se sekvenčními vlnově disperzními spektrometry. Tyhle nejmodernější rentgenové spektrofotometry používají k buzení polarizované záření, které vzniká ozařováním vhodného terče zářením rentgenky. Vzorky huminových kyselin preparátů byly měřeny na molybdenovém terčíku. Tyto měření byly provedeny v laboratoři Celného ředitelství v Bratislavě. 32

34 4.3 Výsledky a vyhodnocení Chemické a fyzikálně - chemické vlastnosti Základní chemické a fyzikální vlastnosti jako je například půdní reakce, kationová výměnná kapacity, jílnaté částice, vodivost a přítomnost karbonátů byly stanoveny standardními metodami a výsledky uvádíme v Tab. 2. Fluvizem glejová (Žabčice) měla aktivní půdní reakci 6,6. Výměnná půdní reakce byla 5,6, což značí, že se jedná o půdu slabě kyselou. Kationová výměnná kapacita byla 22 mmol/100g - což je střední výměnná sorpční kapacita. Obsah jílnatých částic ve vzorku byl 52 %. Dle Novákovy zrnitostní klasifikace můžeme říct, že se jedná o jílovitohlinitou půdu. Vodivost neboli salinita měla hodnotu 0,22 ms/cm, čímž se jedná o půdu nezasolenou. Jankovým vápnoměrem byl stanoven obsah karbonátů 0 %, to znamená, že neobsahuje žádné karbonáty a jedná se o zeminu bezkarbonátovou viz Tab.2. Černozem luvická (Unčovice) měla aktivní půdní reakci 7. Výměnná půdní reakce byla 6,5 a jedná se o půdu neutrální až slabě kyselou. Kationová výměnná kapacita byla 20 mmol/100g a jedná se o střední výměnnou sorpční kapacitu. Ve vzorku byl stanoven obsah jílnatých částic 40 % a dle Novákovy zrnitostní klasifikace je to hlinitý půdní druh. Půda nebyla zasolená (0,08 ms/cm). Karbonáty tvořily 0,40 % a jedná se o slabě vápenitou zeminu viz Tab. 2. Hnědozem modální (Veverské Knínice) - aktivní půdní reakce byla 7,3 a výměnná 6,6. Jedná se tedy o slabě kyselou až neutrální půdu. Kationová výměnná kapacita byla 20 mmol/100g, což indikuje střední výměnnou sorpční kapacitu. Půda obsahuje 34% jílnatých částic, což charakterizuje podle Nováka hlinitý půdní druh. Vodivost byla 0,1 ms/cm a jedná se o půdu nezasolenou. Obsah karbonátů byl 0,1 %, což je bezkarbonátová zemina viz Tab

35 4.3.2 Množství a kvalita humusových látek Fluvizem glejová (Žabčice) obsahovala nejvíce celkového uhlíku (2,8 %) ze všech sledovaných vzorků. Humusových látek zde bylo 5 mg/kg z toho huminových kyselin 2,5 mg/kg a fulvokyselin 2,5 mg/kg. Kvalitu HL indikuje poměr mezi HK/FK byl 1. Indikuje vysokou kvalitu HL. Dále jsme hodnotili kvalitu HL dle stupně humifikace. Dosažené hodnoty stupně humifikace zde byly větší než 40 a ukazují na velmi vysoký stupeň humifikace a tím i vysokou kvalitu HL u fluvizemě glejové - viz Tab. 3. Stanovením absorbance HL v UV VIS oblasti spektra jsme získali tzv. barevné křivky, ze kterých jsme vypočítali barevný index Q4/6. Absorbance HL u fluvizemě glejové byla srovnatelná s absorbancí HL hnědozemí. Hodnoty jsou vysoké a indikují vysokou kvalitu HL viz obr. 10. Vypočítaný barevný index byl 4,5 a kvalita HL podle tohoto parametru byla tudíž střední až vyšší. Podobné hodnoty absorbance HL u fluvizemí v UV- VIS oblasti spektra uvádějí Pospíšilová a kol Černozem luvická (Unčovice) obsahovala nejméně celkového uhlíku (1,8 %) ze všech sledovaných vzorků. Po frakcionaci bylo stanoveno nejvíce HL (6 mg/kg) ze všech sledovaných vzorků. Huminové kyseliny tvořily z toho množství 4 mg/kg a 2 mg/kg připadly na fulvokyseliny. Poměr HK/FK byl 2 a indikuje vysokou kvalitu HL. Stupeň humifikace byl 22 % a hodnotíme ho jako střední. Stanovením absorbance HL v UV-VIS oblasti spektra jsme získali tzv. barevnou křivku viz obr. 10. Z obrázku je patrné, že absorbance HL černozemí je nejvyšší ze všech sledovaných vzorků. Vysokou kvalitu HL potvrzují i hodnoty vypočítaného barevného indexu, které dosahovaly hodnoty 3,2, což jsou huminové kyseliny vysoké kvality s vysokým obsahem aromatických skupin a nižším obsahem alifatických řetězců - viz Tab. 7. Podobné výsledky pro černozemě uvádějí Foukalová a kol. (2008). Hnědozem modální (Veverské Knínice) obsah celkového uhlíku byl nepatrně nižší než u černozemě a tvořil 1,9 %. Humusové látky představovaly 5,8 mg/kg. Huminové kyseliny byly v množství 3,8 mg/kg a fulvokyseliny 2 mg/kg. Poměr HK/FK byl 1,9 a indikuje vysokou kvalitu HL. Stupeň humifikace byl střední (kolem 20 %). Barevné křivky absorbance HL indikují jejich vysokou kvalitu viz obr. 13. Hodnoty barevného byly 4,5 a kvalita HL podle tohoto parametru byla tudíž střední až vyšší. 34

36 Vypočítaný barevný index vyšel 4,5, opět je to vyšší střední hodnota a je charakteristická pro stabilní a vysokomolekulární HK viz Tab. 7. Podobné výsledky pro hnědozemě uvádějí Barančíková a kol. (1997) Elementární analýza HK V izolovaných preparátech huminových kyselin bylo stanoveno celkové množství základních prvků, tj. C, H, N, O. Dále byly vypočítány jejich atomové poměry. Výsledky uvádíme v tabulce č. 4. Fluvizem glejová (Žabčice) ve vzorku fluvizemě byl obsah uhlíku nejvyšší ze všech sledovaných vzorků HK a tvořil 40,6 %. Naopak vodíku (36,8 %) a dusíku (2,4 %) bylo u fluvizemě nejméně. Kyslík tvořil 20,0 %. Černozem luvická (Unčovice) ve vzorku černozemě byl obsah uhlíku (37,9 %) a vodíku (39 %) to jsou střední hodnoty. Obsah dusíku byl u černozemě nejvyšší (3,5 %). Kyslík tvořil nejméně procent ze všech sledovaných HK a to 19,2 %. Hnědozem modální (Veverské Knínice) vzorek měl nejnižší obsah uhlíku (35,5 %) ze všech sledovaných vzorků HK. Naproti vodíku bylo nejvíce 40,5 %. Dusík tvořil 3,4 % a kyslík 19,60 % což jsou střední hodnoty prvků. Atomové poměry C/N, H/C, O/C, O/H, C/O, C/H byly nejvyšší u fluvizemě glejové, například poměr C/N (16,92). Nejnižších hodnot dosahovala hnědozem modální, v poměru O/H (0,48) viz Tab. 5. Na základě poměrů H/C a O/C byl sestrojen Van Krevelenův diagram atomových poměrů. viz Obr. 9. Uvedený diagram nám určuje stabilitu a strukturu izolovaných HK. Z výsledků je patrné, že vyšší stabilita a obsah aromatických skupin byl zjištěn u HK izolovaných z černozemě luvické a fluvizemě glejové a nižší hodnoty byly u hnědozemě modální. 35

37 4.3.3 Zralost HK Zralost huminových kyselin, jak bylo uvedeno dříve, jsme hodnotili podle hodnot koeficientu log K (Kumada, 1987). Huminové kyseliny byly podle tohoto rozděleny na typy - A a B. Typ A představují kvalitní a zralé HK izolované z černozemě luvické a fluvizemě glejové. Tyto mají vysoký stupeň kondenzace a hodnoty log K do 0,60. Jsou stabilní a mají vysoký obsah aromatických skupin a menší podíl alifatických řetězců. Zjištěné hodnoty log K pro HK izolované z černozemě luvické a fluvizemě glejové uvádíme v Tab. 7. Typ B představují HK izolovanými z hnědozemě modální. Jedná se o HK s hodnotou log K od 0,60 do 0,80 viz Tab. 7. Tyto HK mají nižší molekulovou hmotnost a nižší stupeň humifikace. Obsahují více aromatických skupin a méně alifatických skupin ve své molekule a kvalita je o něco nižší než u černozemí. Podobné hodnoty zralosti pro HK izolované z různých půdních typů uvádí Barančíková a kol. (1997) a Foukalová a kol. (2008). 36

38 4.3.3 Rentgenofluorescenční analýza HK Výsledky rentgenofluorescenční analýzy (= EDXS spektra) HK izolovaných z černozemě luvické ukázaly, že obsahují ve své molekule tyto prvky: železo, titan, vápník, draslík, fosfor, síru, zinek, měď, chlor a křemík. V menším množství to byly: selen, rtuť, olovo a brom - viz obr. č. 12. Obsah železa byl u HK z černozemí nižší než u ostatních vzorků HK. Obsah mědi, vápníku, síry, fosforu, zinku a bromu byl vyšší než u ostatních vzorků HK. Překvapivý byl hlavně vysoký obsah rtuti a bromu u HK izolovaných z této půdy. HK izolované z hnědozemě modální obsahovaly ve své molekule stejné prvky jako HK černozemí. Obsah mědi, vápníku, síry, fosforu, zinku a bromu byl nižší než u černozemě viz obr. č. 13. Na hranici detekce byl obsah chromu a hliníku. HK izolované z fluvizemě glejové obsahovaly ve své molekule železo, titan, zinek, měď, vápník, chlor, rubidium, stroncium, draslík a křemík. Obsah železa byl velmi vysoký. Obsah mědi, manganu, vápníku, draslíku a zinku byl nižší než u HK z černozemě viz obr. č. 11. Z výsledků rentgenofluorescenční analýzy (EDXS) vyplývá, že půdní HK obsahují široké spektrum prvků ve své molekule. 37

39 5 ZÁVĚRY Bakalářská práce podrobně charakterizovala chemické a spektrální vlastnosti humusových látek a huminových kyselin izolovaných z fluvizemě glejové, černozemě luvické a hnědozemě modální. Bylo zjištěno, že: 1. Nejkvalitnější HK byly izolovány z černozemě luvické a fluvizemě glejové. Tyto obsahovaly více uhlíku a nejméně vodíku ve své molekule. Jejich vysokou kvalitu potvrzuje poloha v diagramu Van Krevelena. 2. Stanovení zralosti HK podle Kumadu ukázalo, že HK izolované z černozemě luvické a fluvizemě glejové představují typ A, tj. vysoce kvalitní a zralé HK. Hodnota log K byla menší než 0, Zralost typu B představují HK izolované z hnědozemě modální. Jedná se o HK s vyšší hodnotou log K od 0,60 do 0, Rentgenofluorescenční analýza ukázala, že půdní HK obsahují široké spektrum prvků ve své molekule. HK černozemě luvické a hnědozemě modální obsahovaly: železo, titan, vápník, draslík, fosfor, síru, zinek, měď, chlor a křemík. HK izolované z fluvizemě glejové obsahovaly železo, titan, zinek, měď, vápník, chlor, rubidium, stroncium, draslík a křemík. 38

40 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY BARANČÍKOVÁ, G. a kol. (1997): Chemical and spectroscopic characteration of humic acids isolated from different Slovak soil types. Geoderma, 78, CULEK, M. (1996): Biogeografické členění České republiky. Enigma, Praha, 347s. ČERNOHORSKÝ, T. & JANDERA, P. (1997): Atomová spektroskopie. Univerzita Pardubice, 218s. ISBN X. FOUKALOVÁ, J., POSPÍŠILOVÁ, L. & JANČEK, M. (2008). Relations between soil respiration, humus quality and cation exchange capacity in selected subtypes of Chernozem in South Moravia region. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis 4 (2008), ročník LII: HRAŠKO, J,. BEDRNA, Z., (1988): Aplikované podoznalectvo. Príroda, Bratislava, 414s. CHENU, C., PLANTE, A. F. & PUGET, P. (2002): Organo-mineral relationships. In: Lal, R. (Eds.) Encyclopaedia of soil science (on line). Marcel Decker, Inc. N.Y JANDÁK, J. a kol. (1989): Cvičení z půdoznalství. VŠZ, Brno, 213s. JANDÁK, J. a kol. (2009): Cvičení z půdoznalství. VŠZ, Brno, 92s. ISBN JANDÁK, J. a kol. (2010): Půdoznalství. Mendelova univerzita, Brno, 143s., ISBN KONONOVÁ, M. M,. BĚLČÍKOVÁ, N. P., (1963): Uskorennyj metod opredelenija sostava gumusa mineralnych počv. In: Organičeskoje veščestvo počvy. Moskva, 1963, KUMADA, K. (1987): Chemistry of soil organic matter. Tokyo: Japan Scientific, s. LAIRD, D. A., MARTENS, D. A., KINGERY, W. L. (2001): Nature of clay humic complexes in an agricultural soil: In: Chemical, biochemical and spectroscopic analysis. Soil Science Soc. of America Journal 65: LEDVINA, R. a kol., (2000): Geologie a půdoznalství, České Budějovice, 203s. NĚMEČEK, J,. SMOLÍKOVÁ, L,. KUTÍLEK, M. (1990): Pedologie a paleopedologie. Academia, Praha, 1990, 546 s., ISBN NĚMEČEK, J. a kol. (2001): Taxonomický klasifikační systém půd České republiky. ČZU Praha spolu s VÚMOP Praha, 78s, ISBN

41 NĚMEČEK, J. a kol. (1965): KPZP, Průvodní zpráva okresu Brno-venkov, 163s. ORLOV, D. S. (1985): Chimija počv (Soil chemismy). Moskva, MGU, 1985, 376s. PICCOLO, A. (2002): The supramolecular structure of humic substances. A novel understanding of humus chemistry and application in Soil Science. Adv.Agron. 75, POKORNÝ, E., PRAX, A. (2004): Klasifikace a ochrana půd. MZLU, Brno, 175s., ISBN POKORNÝ, E., PRAX, A., JANDÁK, J. (2007): Půdoznalství. MZLU, Brno, 142s., ISBN POSPÍŠILOVÁ, L., POKORNÝ, E., JANDÁK, J. (2005): Soil colloidal complex and soil organic matter quality during long-term stationary field experiments. Phytopedon, Bratislava. ISBN /2, vol.4, POSPÍŠILOVÁ, L., TESAŘOVÁ, M. (2009): Organický uhlík obhospodařovaných půd. Acta Folia II. Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 2009, 1, 41s. QUITT, E. (1971): Klimatické oblasti Československa. Stud. Geogr., Brno. 84s. STEVENSON, F. J. (1982): Humus chemismy genesis, composition, reactions. New York: J Wiley Interscience Publication s. ŠARAPATKA, B. (1966): Pedologie. Nakladatelství univerzity Palackého, Olomouc, 1966, 235s. ŠARAPATKA, B., DLAPA, P. & BEDRNA, Z. (2002): Kvalita a degradace půdy, Olomouc, 246s. VAN KREVELEN, D. W. (1950): Graphical statistical method for the study of structure and reaction proces sof coal. Fuel 29, WAŇKOVÁ, J. (1984): Rentgenová spektroskopie. In: J. Zýka. Nové směry v analytické chemii, svazek II., Praha: KTA SNTL, ISSN WEBER, J. (1997): WELTE, E. (1963): Der Ab-, Auf- und Umbau der Humusstoffe im bodenund seine Bedeutung fur die Bodenfruchtbarkeit. Bodenkultur 14, 1963, č. 2: ZBÍRAL, J., HONSA, I. & MALÝ, S. (1997): Jednotné pracovní postupy, UKZUZ, 1.vyd. Brno, 150s. 40

42 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Základní členění půdních horizontů (zdroj: Obrázek 2: Chemické vlastnosti humusových látek podle Stevensona (1982) Obrázek 3: Supra-molekula HK podle Piccolo (2002) Obrázek 4: Předpokládaná struktura molekuly FK Weber (1997) Obrázek 5: Schéma energiově - disperzního spektrofotometru (Černohorský a kol. 1997) Obrázek 6: Pracoviště Žabčice (zdroj: http: // Obrázek 7: Letecký snímek Unčovice (zdroj: Obrázek 8: Letecký snímek Veverské Knínice (zdroj: Obrázek 9: Diagram Van Krevelena Obrázek 10: UV VIS spektra HL různých půdních typů Obrázek 11: EDXS spektra HK z FLq (Žabčice) měřena na molybdenovém terčíku Obrázek 12: EDXS spektra HK z ČEl (Unčovice) měřena na molybdenovém terčíku Obrázek 13: EDXS spektra HK z HNm (V.Knínice) měřena na molybdenovém terčíku 41

43 SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Charakteristika sledovaných lokalit Tabulka 2: Základní fyzikální a chemické parametry sledovaných půd Tabulka 3: Průměrné hodnoty obsahu Corg, frakční složení HL, stupeň humifikace a barevný index u sledovaných půd Tabulka 4: Elementární složení izolovaných vzorků huminových kyselin Tabulka 5: Atomové poměry prvků v molekule huminových kyselin Tabulka 6: Parametry spektrometru Varian Cary 50 Probe Tabulka 7: Parametry Q 4/6, log K a zralost HL vypočítané z absorbance v UV-VIS oblasti spektra 42

44 PŘÍLOHY

45 SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Popis půdního profilu fluvizemě Příloha 2 Popis půdního profilu černozemě Příloha 3 Popis půdního profilu hnědozemě

46 Příloha 1 Popis půdního profilu fluvizemě FLq fluvizem glejová (Žabčice) V půdním profilu můžeme pozorovat tyto horizonty: Alp (0 15 cm) barva 30YR3/3 orničního horizontu s porušenou drobtovitou strukturou, zrnitostně patří do třídy středně těžké, horizont je hlinitý, suchý a silně prokořeněn. Poté volně přechází do dalšího horizontu. Aln (15 40 cm) polyedrická struktura s barvou 10YR4/3, zrnitostní třída středně těžká, opět hlinitý, suchý horizont, silně prokořeněný s volným přechodem. M (40-70 cm) tento horizont obsahuje naplavenou vrstvu, která se dělí na oxidační a redukční, barva 10YR4/2, zrnitostně patří do půd středně těžkých, je hlinitý a méně prokořeněn, obsahuje zbytky dřevného uhlí (zaoráno po pálení), přechod podle barvy. MGro ( cm) tento horizont se nazývá oxidačně redukční s barvou 10YR4/2, je vlahý a slabě prokořeněn. MGr (více než 110cm) v tomto horizontu tvoří rezavé skvrny % agregátů, které jsou jinak šedé barvy 10YR4/3, vyskytují se zde ferrany a je vlhký.

47 Příloha 2 Popis půdního profilu černozemě CEl černozem luvická (Unčovice) V půdním profilu pozorujeme tyto horizonty. Černozem luvická na karbonátové spraši. Apc (0 44 cm) orniční horizont je hnědočerné barvy (10YR 2/3), hrudkovité struktury. Podle textury byla zemina zařazena do zrnitostní třídy prachová hlína, bez skeletu. V době odběru byla ulehlá a vlahá. V tomto horizontu bylo nalezeno mnoho rostlinných zbytků. Ve 30 cm přechází ostře do černického horizontu Ac, který je hnědé barvy (10YR 2/3) s výrazně vyvinutou drobtovitou strukturou. Texturně je řazen mezi prachovitou jílovitou hlínu, bez skeletu. Zemina je drobivá a vlahá. Biologicky je tento horizont oživený málo. Při hloubce 44 cm přechází v horizont přechodný AC. AC (44 75 cm) tento horizont je hnědé barvy (10YR 4/4) s prismatickou, slabě vyvinutou strukturou s povlaky koloidů na povrchu. Texturně se jedná o prachovitou jílovitou hlínu také bez skeletu. V době odběru byla drobivá a vlahá. Kořeny rostlin sahají do hloubky 75 cm a žížaly se vyskytují jen výjimečně. Zřetelným přechodem přechází horizont do horizontu C. C (více než 75 cm) půdotvorný substrát je spraš, žlutohnědé barvy (10YR 5/6) s prismatickou strukturou. Zemina patří do zrnitostní třídy prachovitá jílovitá hlína, bez skeletu. Při odběru byla tuhá a vlahá. Od 1 m hloubky se vyskytují cicváry (průměr do 5 cm) a pseudomycelia.

48 Příloha 3 Popis půdního profilu hnědozemě HNm - hnědozem modální (Veverské Knínice) Alp (0-35cm) luvický, humusový horizont orniční je tmavě hnědé barvy. Struktura je drobtovitá, bez skeletu. Horizont je silně prokořeněn a obsahuje karbonáty. Bt (35-70cm) iluviální, luvický horizont je světlehnědý, hlinitý až jílovitohlinitý s polyedrickou strukturou, bez skeletu. Je středně prokořeněn a obsahuje karbonáty. BC (70-85cm) je přechodným horizontem světlé hnědé barvy. Ck (85-110cm) půdotvorným substrátem je spraš, plavé barvy, hlinitá. Bez struktury s karbonáty ve formě cicvárů.

49 Tabulka č. 1: Charakteristika sledovaných lokalit Půdní typ Management GPS Nadmořská výška N EO (m) FLq (Žabčice) OP 49 21, , CEl (Unčovice) OP 49 37, , HNm (V. Knínice) OP 49 13, , Tabulka č. 2: Základní fyzikální a chemické parametry sledovaných půd Půdní typy ph/h 2 O ph/kcl KVK (mmol/100g) JČ < 0,01mm (%) Vodivost ms/cm Karbonáty (%) FLq (Žabčice) 6,6 5, ,22 0 CEl (Unčovice) 7 6, ,08 0,40 HNm (V. Knínice) 7,3 6, ,1 0,1 Tabulka č. 3: Průměrné hodnoty obsahu Corg, frakční složení HL, stupeň humifikace a barevný index u sledovaných půd Corg HL HK FK HK/FK Stupeň humifikace Q4/6 Půdní typy (%) (mg/kg) (mg/kg) (mg/kg) (%) FLq (Žabčice) 2,8 5 2,5 2,5 1 >40 4,5 CEl (Unčovice) 1, ,2 HNm (V. Knínice) 1,9 5,8 3,8 2 1,9 20 4,5 Tabulka č. 4: Elementární složení izolovaných vzorků huminových kyselin Vzorky %C a %H a %N a %O a HK FLg (Žabčice) 40,6 36,8 2,4 20,00 HK CEl (Unčovice) 37,9 39 3,5 19,20 HK HNm (V.Knínice) 35,5 40,5 3,4 19,60

50 Tabulka č. 5: Atomové poměry prvků v molekule sledovaných huminových kyselin Vzorky C/N H/C O/C O/H C/O C/H HK- FLg (Žabčice) 16,92 0,91 0,49 0,54 2,03 1,10 HK CEl (Unčovice) 10,83 1,03 0,51 0,49 1,97 0,97 HK HNm (V.Knínice) 10,44 1,14 0,55 0,48 1,81 0,88 Tabulka č. 6: Parametry UV-VIS spektrometru Varian Cary 50 Probe Přístroj CARY 50 Verze přístroje 3 Start (nm) 700 Stop (nm) 300 X Mode Nanometry Y Mode Absorbance UV-VIS scenovací rychlost (nm/min) 1200 UV-VIS interval měření dat (nm) 1 UV-VIS průměrný čas (sec.) 0,05 Optický režim Dvojitý paprsek Základní korekční linie ANO Cyklický režim NE Tab. 7. Parametry Q 4/6, log K a zralost HL vypočítané z absorbance v UV-VIS oblasti spektra HL Q 4/6 log K Zralost FLg (Žabčice) 4,5 0,6 A CEl (Unčovice) 3,2 0,45 A HNm (V. Knínice) 4,5 0,65 B

51 Obrázek č. 9: Diagram Van Krevelena Obrázek č. 10: UV VIS spektra HL různých půdních typů

52 Obrázek č. 11. EDXS spektra HK z FLq (Žabčice) měřena na molybdenovém terčíku Obrázek č. 12. EDXS spektra HK z ČEl (Unčovice) měřena na molybdenovém terčíku Obrázek č. 13. EDXS spektra HK z HNm (V.Knínice) měřena na molybdenovém terčíku