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 1.5-1.6 7-1. 7-76 45-55 38. Půda celkem 2.2-2.6 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 < 1 1-2 2-3 1 ha 1. m 2 hloubka ornice ~,2 m 2. m 3 objemová hmotnost ~ 1,5 Mg.m -3 3. 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)
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 44 49 6,2, Rostliny 47 44 6,8 1,6 Dubové dřevo 5 42 6, 1,3 Huminové kyseliny 57,6 32,5 5,1 4,8 Rašelina černá 62 3 5,2 2,1 Hnědé uhlí 69 24 5,6,9 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 14 19 21 23 28 Pomalu rozložitelný opad Dřevina Lípa Dub Bříza Buk Javor Topol C:N 37 47 5 51 52 63 Těžko rozložitelný opad Dřevina Smrk Borovice Douglaska Modřín C:N 48 66 77 113 Zdroj: E. Klimo, Lesnická pedologie. MZLU, Brno, 199.
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
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 )
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
Hodnocení kvality humusu Barevná charakteristika: alkalický výluh půdy A (,5M Na 4 P 2 O 7 ) proměření ve viditelné části spektra barevný kvocient: 1.2 1.8.6.4.2 HK FK Kubelka Munk IR spektra (DRIFT) 34-33 O-H skupiny 1725-172 C=O v COOH a ketonech 12 C=C - arom. cykly 117-95 C-O v polysacharidech, Si-O příměsi 35 3 25 2 H Kubelka Munk Kubelka Munk 35 3 25 2 1 5 35 3 25 2 HK 4 35 3 25 2 1 5 FK wavenumber [cm -1 ] Q 4/6 = A 4 /A 6 4 45 5 55 6 λ (nm) Lambert-Beerův zákon: A=ε.c.l 1 5 4 35 3 25 2 1 5 wavenumber [cm -1 ] 1 5 4 35 3 25 2 1 5 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)