Gleboznawstwo i geomorfologia

Transkrypt

1 Gleboznawstwo i geomorfologia Wykład dla studentów ochrony środowiska I rok...nie ma życia bez gleby, ani gleby bez życia Stanisław Miklaszewski (1907)

2 Gleboznawstwo i geomorfologia WYKŁAD 6: FAZA STAŁA GLEBY

3 FAZA STAŁA GLEBY FRAKCJA MINERALNA

4 Mineralny utwór glebowy Główne składniki mineralne utworu glebowego tworzą: krzemiany i glinokrzemiany pierwotne, minerały ilaste, tlenki glinu i żelaza, kalcyt

5 Mineralny utwór glebowy Uproszczona klasyfikacja utworów mineralnych: Części szkieletowe (sceleton) > 2,0 mm 1) kamienie (stones) > 75,0 mm 2) żwir (gravel) 2,0 mm-75,0 mm Części ziemiste (earthy parts) < 2,0 mm 1) piasek (sand) 0,05 mm-2,0 mm 2) pył (silt) 0,002 mm-0,05 mm 3) ił (clay) < 0,002 mm wg PN-R-04033

6 Mineralny utwór glebowy Utwory zwykłe podlegają podziałowi w zależności od udziału poszczególnych frakcji na: 1. Piaski (sands) 2. Gliny (loams) 3. Iły (clays) 4. Pyły (silts)

7 Mineralny utwór glebowy Grupy i podgrupy granulometryczne trójkąt Fereta (PN-R-04033)

8 Mineralny utwór glebowy Krzywa uziarnienia

9 FAZA STAŁA GLEBY FRAKCJA ORGANICZNA

10 Źródła substancji organicznej w glebie obumarłe części roślin, ekskrementy i wydzieliny organizmów glebowych, obumarłe ciała organizmów glebowych, nawozy organiczne.

11 Podział substancji organicznej w glebie

12 Podział substancji organicznej w glebie Materia organiczna gleby - związki zawierające węgiel pochodzenia organicznego (organizmy żywe oraz obumarłe szczątki organiczne wraz z produktami ich rozkładu i humifikacji) Substancja organiczna gleby - suma obumarłych składników organicznych, głównie roślinnych (nierozłożonych, częściowo rozłożonych i bezpostaciowych produktów rozkładu i resyntezy. Występuje w glebie w zróżnicowanej morfologicznie postaci, na podstawie której wyróżniane są formy i typy. Żywe organizmy (edafon) - na ogół nie są zaliczane do substancji organicznej gleby.

13 Substancja próchniczna trudne do rozkładu substancje, które uległy nagromadzeniu w glebie (Kubiena). część substancji organicznej, która nie wykazuje już makroi mikroskopowo rozpoznawalnej struktury tkanek organizmów, z których powstała (Laatsh).

14 Substancja próchniczna Substancja próchniczna (inaczej próchnica, humus) jest to: mieszanina amorficznych, ciemno zabarwionych substancji o charakterze koloidalnym, powstających w glebie w wyniku procesów humifikacji, produkt zachodzącej w środowisku glebowym kondensacji polifenoli i aminokwasów, naturalny produkt biologicznej aktywności środowiska glebowego, powstający w wyniku transformacji resztek organicznych pod wpływem oddziaływania makro- i mikroorganizmów.

15 Teorie powstawanie substancji organicznej w glebie Istnieją cztery zasadnicze kierunki powstawania związków próchnicznych: kierunek 1 - klasyczna teoria Waksmana - związki próchniczne pochodzą od zmodyfikowanej ligniny, kierunek 2 i 3 - teorie polifenoli kierunek 4 - teoria kondensacji cukrowo-białkowej

16

17 Nieswoiste substancje próchniczne Związki o dobrze rozpoznanej budowie, zaklasyfikowane do różnych grup strukturalnych. Stanowią % substancji próchnicznych. Należą tu między innymi: węglowodany, białka i aminokwasy, tłuszcze, kwasy organiczne, ligninę, garbniki i bituminy.

18 Substancje nieswoiste: węglowodany Stanowią 10-50% tkanek roślinnych (wraz z ligniną). Podlegają szybkiemu rozkładowi. Rola w glebie: udział w tworzeniu struktury agregatowej gleby, tworzenie kompleksów z jonami metalicznymi, udział w syntezie próchnicy, dostarczanie energii dla mikroorganizmów.

19 Substancje nieswoiste: białka Stanowią 0,6-15% tkanek roślinnych. Aminokwasy są łatwo rozkładalne ulegają hydrolizie do aminokwasów, mineralizacji (amonifikacji). Formy w glebie: wolne aminokwasy (w roztworze glebowym), aminokwasy, peptydy, białka związane z minerałami ilastymi, aminokwasy, peptydy, białka związane z próchnicą (siłami van der Waalsa lub jako kompleksy chinon-aminokwas).

20 Substancje nieswoiste: pozostałe Lignina stanowi 10-30% tkanek roślin, występuje w zdrewniałych komórkach roślin, budowa chemiczna słabo poznana (podstawowe jednostki to 6-członowe pierścienie aromatyczne z łańcuchami bocznymi, składającymi się z 3 atomów węgla, rozkład biochemiczny bardzo powolny. Tłuszcze kwasy tłuszczowe, sterole, terpeny, woski i żywice

21 Substancje nieswoiste: pozostałe Kwasy organiczne Octowy, mlekowy, fumarowy. Garbniki Pochodne wysokocząsteczkowych fenoli. Stanowią 5-25% masy roślin. Przyczyniają się do powstania substancji próchnicznych. Bituminy Smoły i woski. Mogą przyczyniać się do zwiększania retencji wodnej gleb.

22 Przemiany substancji organicznej

23 Przemiany substancji organicznej - mineralizacja Fazy mineralizacji (współwystępujące lub przechodzące jedna w drugą; ulega jej 3/4 do 4/5 substancji organicznej): 1. Faza inicjalna - hydroliza i utlenianie substancji organicznej bezpośrednio po obumarciu żywych organizmów. Największym zmianom ulegają w komórkach związki aromatyczne i białka. 2. Faza mechanicznego rozkładu - rozdrobnienie substancji organicznej pod wpływem makro- i mezofauny, jej przemieszczenie i wymieszanie z innymi składnikami gleby. 3. Faza mikrobiologicznego rozkładu - żywe organizmy (mikroflora i mikrofauna) powodują przemianę substancji organicznej w związki nieorganiczne. Wydziela się CO 2, H 2 O, NH 3, powstają fosforany, siarczany, a także Ca, K, Mg i inne pierwiastki (jako wolne lub związane jony).

24 Przemiany substancji organicznej - BUTWIENIE mineralizacja Mineralizacja zachodząca w warunkach tlenowych. Produkty pełnego utlenienia: CO 2, H 2 O, jony Ca 2+, K +, SO 4 2-, PO 4 3-, NO 3-. Jest to procesem egzotermicznym korzystnym dla roślin powstawania form przyswajalnych. GNICIE Mineralizacja przebiegająca w warunkach beztlenowych. Powstają produkty: CO 2, H 2 O, H 2 S, CH 4, skatol. Jest to proces niekorzystny dla roślin produkty negatywnie oddziałujące na rośliny.

25 Przemiany substancji organicznej - mineralizacja Czynniki wpływające na szybkość mineralizacji: - nadmierne uwilgotnienie - zmniejsza szybkość rozkładu (w skrajnych przypadkach następuje kumulacja w procesie torfotwórczym). - skład chemiczny: duża zawartość ligniny, wosków, garbników hamuje procesy rozkładu, duża zawartość cukrów i protein przyspiesza rozkład. Tempo rozkładu tkanek poszczególnych grup roślin (rosnąco): Wrzosy > drzewa iglaste > drzewa liściaste > krzewy liściaste > zioła > trawy > rośliny motylkowe.

26 Przemiany substancji organicznej - humifikacja Rozkład związków zawartych w substancji organicznej i synteza nowych jakościowo połączeń, zachodząca przy udziale mikroorganizmów. W jego wyniku powstają związki bardziej odporne na rozkład. Towarzyszą temu procesy polimeryzacji i kondensacji powstających produktów rozkładu powstaje złożona koloidalna, amorficzna próchnica (humus, substancja próchniczna, związki próchniczne). Humifikacji podlega od 1/4 do 1/5 substancji organicznej.

27 Przemiany substancji organicznej - humifikacja

28 Swoiste substancje organiczne (próchnica) Kwasy fulwowe - kwasy krenowe - kwasy apokrenowe Kwasy huminowe Huminy - kwasy hymatomelanowe - kwasy huminowe brunatne - kwasy huminowe szare

29 Swoiste substancje organiczne (próchnica)

30 Swoiste substancje organiczne (próchnica) Kwasy fulwowe (fulwokwasy) barwa od żółtej do żółtobrązowej, rozpuszczalne w wodzie w całym zakresie ph, prosta budowa, formy mobilne w glebie, tworzą połączenia z Fe i Al (gleby rdzawe), występują głownie w próchnicy gleb bielicowych i brunatnych kwaśnych.

31 Swoiste substancje organiczne (próchnica) Kwasy huminowe barwa od ciemnobrązowej do czarnej, nierozpuszczalne w wodzie w warunkach kwaśnych, rozpuszczają się w roztworze NaOH. Huminy barwa czarna, nierozpuszczalnych w wodzie w całym zakresie ph, nierozpuszczalne w zasadach i kwasach, tworzą kompleksy organiczno mineralne.

32 Substancje swoiste porównanie właściwości

33 Polimerowa budowa próchnicy Monomery próchnicy składają się z: jądra aromatycznego (typu fenoli) mostków łańcuchowych (atomy O-, -N=) grup funkcyjnych (karboksylowa, hydroksylowa, aminowa, itd.)

34 Polimerowa budowa próchnicy

35 Właściwości próchnicy koloidalny charakter ujemny ładunek na powierzchni powstaje podczas odłączenia H + od grup karboksylowych -COOH oraz grup fenolowych, właściwości hydrofilowe, duża zdolność sorpcyjna przewyższająca zdolność sorpcyjną minerałów ilastych. Kationy wiązane są mniej trwale niż przez minerały ilaste. Przybliżony skład chemiczny: C 58%, O 28%, H 4-5%, części popielne 2-8%

36 Występowanie próchnicy w glebie W stanie wolnym występuje tylko niewielka cześć próchnicy. Przeważa forma w kompleksach mineralnoorganicznych (pomiędzy substancją swoistą i nieswoistą oraz minerałami ilastymi i innymi związkami mineralnymi, np. 1. sole swoistych substancji próchnicznych z kationami alkalicznymi - humiany i fulwiany, 2. humusowe związki kompleksowe i wewnątrzkompleksowe (chelaty), 3. adsorpcyjne związki organiczno-ilaste.

37 Próchnica glebowa - stosunek H:F Stosunek kwasów huminowych do kwasów fulwowych w wierzchnich poziomach wybranych gleb (Kononowa 1966):

38 Formy próchnic glebowych Forma próchnicy morfologiczna postać naturalnych nagromadzeń substancji próchnicznych w profilu glebowym lub na powierzchni gleby, uwarunkowana ogólnym kierunkiem procesu glebotwórczego i związanym z nim procesem humifikacji materii organicznej (Kowaliński 1993). Formy próchnic lądowych: Mor, Moder, Mull Formy próchnic wodnych: Torfowa, Gytiowa, Murszowa

39 Próchnica typu Mor (kwaśna) Występuje głównie w glebach lasów iglastych i na wrzosowiskach (środowiska oligotroficzne). Niska aktywność biologiczna (powolna humifikacja i mineralizacja). Stosunek C:N > 20 (często 30-40), stosunek H:F <1 Powstaje przy udziale grzybów acidofilnych. Odczyn kwaśny (ph KCl 2,5-4,0). Często tworzy układ warstw ektohumusu (próchnicy nadkładowej) o znacznej miąższości: Ol - warstwa surowinowa Of - warstwa fermentacyjna Oh - warstwa humifikacyjna.

40 Próchnica typu Mull (słodka) Charakterystyczną dla czarnoziemów, rędzin oraz innych typach gleb, które podlegają uprawie (środowiska eutroficzne). Wykazuje wysoką aktywność biologiczną. Stosunek C:N 15-20:1, stosunek H:F >1 Powstaje ona przy udziale lasów liściastych lub roślinności trawiastej. Dobrze zhumifikowana substancja organiczna, wytworzona przy udziale bezkręgowców i bakterii przerabiających resztki roślinne. Charakteryzuje się odczynem obojętnym lub lekko kwaśnym, zawiera trwałe kompleksy organicznomineralne.

41 Próchnica typu Moder (przejściowa) Charakterystyczna dla środowisk mezotroficznych, lasów mieszanych. Poziomy próchniczne typu moder składają się z nieznacznej miąższości (2-3 cm) poziomu ściółki (surowinowy Ol), który stopniowo przechodzi w poziom akumulacyjny (detrytusowy Ohf)/ Próchnica średnio zhumifikowana. Stosunek C:N wynosi 15-25:1 Odczyn (ph KCl 3,5-5)/ Wytworzone kompleksy organiczno-mineralne są nietrwałe i słabo związane z mineralną częścią gleby.

42 Morfologia typów próchnic glebowych Ol - podpoziom surowinowy Of butwinowy Ofh podpoziom detrytusowy Oh - epihumusowy

43 Zawartość próchnicy w glebach polskich

44 Funkcje próchnicy w glebach funkcja fizyczna - próchnica poprawia strukturę gleby, tym samym wpływa na: aerację, retencję wodną i ułatwia uprawę gleby, funkcja chemiczna i fizykochemiczna - decyduje o zasobności i żyzności gleby, jest źródłem azotu (N) i fosforu (P) dla roślin oraz wpływa na właściwości fizykochemiczne gleby (sorpcja glebowa, buforowość), funkcja biologiczna próchnica wpływa na aktywność mikroflory i mikrofauny glebowej oraz na wzrost i rozwój roślin. Wpływ pośredni na przyswajanie mikroelementów przez rośliny. Wpływ na wiązanie herbicydów i innych środków ochrony roślin (Stevenson 1982).

45 Wpływ na właściwości fizyczne Tworzenie struktury agregatowej gleb (sklejanie elementarnych cząstek masy glebowej w agregaty). Woski, smoły i tłuszcze nasycają agregaty czyniąc je bardziej odpornymi na działanie wody. W glebach piaszczystych zwiększenie ich zwięzłości, w glebach cięższych zmniejszenie zwięzłości. Poprawa stosunków wodno-powietrznych. Zwiększanie zdolności retencji wodnej gleb (posiadają wysoką pojemność wodną) szczególne znaczenie w glebach piaszczystych. Wpływają na barwę gleby, poprawiając właściwości termiczne gleb.

46 Wpływ na właściwości fizykochemiczne i chemiczne Związki próchniczne decydują o zasobności gleb. Próchnica ma znaczny wpływ na gospodarkę azotem i fosforem. Jest podstawowym źródłem tych pierwiastków. Formy nieorganiczne tych związków są dostępne dla roślin wyższych. Związki próchniczne wpływają na zdolności sorpcyjne gleb. Pojemność sorpcyjna przewyższa 4-12 razy pojemność części mineralnej. Próchnica odpowiada za 20-70% całkowitej pojemności sorpcyjnej gleby. Związki próchniczne zwiększają zdolności buforowe gleb, regulując i stabilizując odczyn gleby. Próchnica reguluje stężenie kationów Ca 2+, Mg 2+, NH 4+, Na +, K + i H + w roztworze glebowym poprzez ich uwalnianie bądź sorbowanie.

47 Wpływ na biologię gleby Próchnica jest źródłem pokarmu i energii dla makro- i mikroorganizmów (gleby zasobne w próchnicę odznaczają się wyższą aktywnością biologiczną). Wpływa na procesy fizjologiczne roślin (źródło substancji wzrostowych, tj. witaminy, auksyny, niektóre inne kwasy organiczne oraz substancje o charakterze antybiotyków). Substancje te w małych ilościach wykazują dodatni wpływ na rośliny, w dużych hamują ich wzrost i rozwój. Pełni funkcję fitosanitarną przeciwdziała występowaniu chorób roślin uprawnych (silne mnożenie się mikroorganizmów saprofitycznych, które są antagonistami fitopatogenów).

48 Wiązanie zanieczyszczeń chemicznych Związki próchnicze chronią środowisko glebowe przed skutkami skażenia zanieczyszczeniami przemysłowymi oraz przed skutkami nadmiernej chemizacji rolnictwa. Jest to związane z właściwościami sorpcyjnymi substancji próchnicznych. Mają zdolność tworzenia połączeń z pestycydami, a zwłaszcza herbicydami. Dezaktywacja herbicydów łączy się z ich adsorbowaniem oraz z przyspieszaniem ich rozkładu poprzez aktywizację mikroorganizmów (dostarczenie mikroorganizmom związków energetycznych) (Kowaliński 1993).

49 Dziękuję za uwagę