Agnieszka Józefowska

Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Opiekun naukowy: prof. dr hab. Anna Miechówka

Materia organiczna gleby i metody jej frakcjonowania

Streszczenie. Materia organiczna jest bardzo ważnym elementem gleby, ponieważ wpływa na jej

właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne oraz jest magazynem węgla. W ostatnim czasie

opublikowano wiele prac związanych z tą tematyką. Istnieje szereg fizycznych, chemicznych

i biologicznych metod, które mają na celu rozdzielenie SOM(Soil Organic Matter) na różne frakcje.

Niniejsza praca ma na celu przedstawienie najnowszych badań nad frakcjami SOM w glebie, nad

metodami ich rozdzielania i oznaczania, oraz ich znaczeniem w obiegu węgla. Praca dotyczy głównie

labilnej frakcji SOM, ponieważ jest ona wrażliwym wskaźnikiem zmian zachodzących w środowisku.

Słowa kluczowe: materia organiczna gleby, frakcjonowanie, frakcja labilna

1.

Wstęp

Materia organiczna jest bardzo ważnym elementem gleby, ponieważ wpływa na jej

właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne. Badania nad nią prowadzono już od końca XVIII w.

Obecnie według Goneta [2007], powinny one dotyczyć roli i dynamiki poszczególnych frakcji materii

organicznej i edafonu, ich wpływu na właściwości gleb oraz standaryzacji metod ich oznaczania.

Celem niniejszej pracy jest zdefiniowanie poszczególnych, współcześnie oznaczanych frakcji

materii organicznej, określenie ich dynamiki i znaczenia w środowisku oraz przegląd metod ich

oznaczania.

2.

Podział materii organicznej

W skład materii organicznej gleby wchodzi zewnętrzna materia organiczna (EOM),

dostarczana do gleby na przykład poprzez nawożenie organiczne [Gonet 2007], żywe organizmy

glebowe (edafon) oraz substancja organiczna gleby (SOM) (ryc.1). Według McLauchlan i Hobbie

[2004] zasoby SOM można podzielić na dwie frakcje: labilną, która jest szybko rozkładana przez

mikroorganizmy oraz trwałą, która ma dłuższy czas rozkładu. W skład trwałej materii organicznej

wchodzą ligniny i inne substancje, które są trudno rozkładane przez mikroorganizmy glebowe.

Według Haynes [2000] w skład labilnej frakcji SOM wchodzą: biomasa mikroorganizmów oraz

frakcje − lekka (LF- Light Fraction) i łatwo rozpuszczalna (DOM- Dissolved Organic Matter).

Biomasa mikroorganizmów glebowych stanowi 1−5% materii organicznej. Na jej ilość w

glebach mają duży wpływ czynniki antropogeniczne, między innymi zanieczyszczenia: metalami

ciężkimi, pestycydami i antybiotykami [Voroney i in. 2007].

W skład frakcji lekkiej (LF) wchodzą różne części roślin, zwierząt i mikroorganizmów o

różnym stopniu rozkładu. Definiuje się ją jako część SOM, która jest zawieszona w roztworze o

gęstości 1,6−2,0 g · cm

-3

.

We frakcji lekkiej może znajdować się około 8% całkowitego węgla

organicznego i 5% całkowitego azotu [Gregorich i Beare 2007].

Frakcja rozpuszczalna DOM reprezentuje najbardziej ruchliwą i najszybciej rozkładającą się

frakcję SOM [Bolan i in. 2004], która stanowi pierwsze źródło energii dla mikroorganizmów

znajdujących się w glebie [Haynes 2000].

Ryc.1. Podział materii organicznej [wg McLauchlan i Hobbie 2004, Haynes 2000 zmieniony]

3.

Metody oznaczania substancji organicznej w glebie

Do niedawna badania nad SOM skupiały się głównie na rozdzieleniu próchnicy na kwasy

huminowe, kwasy fulwowe i huminy. W celu oznaczenia składu próchnicy najczęściej stosowano

metody: Tiurina, Boratyńskiego i Wilka, Kononowej i Bielczikowej [Kleszczycki i in. 1967]. Do

oznaczania składu próchnicy w czarnych ziemiach Wegner i Wąśniewska [1997] zalecały metody

BIOMASA MIKROORGANIZMÓW

MICROBIAL BIOMASS

FRAKCJA LEKKA

LIGHT FRACTION (LF)

FRAKCJA ROZPUSZCZALNA W WODZIE

DISSOLVED ORGANIC MATTER (DOM)

TRWAŁA (NIE LABILNA) MATERIA ORGANICZNA

RECALCITRANT ORGANIC MATTER

MATERIA ORGANICZNA GLEBY

ORGANIC COMPOUNDS OF SOIL

Ż

YWE ORGANIZMY (EDAFON)

LIVING ORGANISMS (EDAPHON)

SUBSTANCJA ORGANICZNA GLEBY

SOIL ORGANIC MATTER (SOM)

ZEWN

Ę

TRZNA MATERIA ORGANICZNA

EXOGENOUS ORGANIC MATTER (EOM)

LABILNA MATERIA ORGANICZNA

LABILE FRACTION OF ORGANIC MATTER

Schnitzera lub Springera. Ogólna zasada frakcjonowania próchnicy tymi metodami polega na

rozdzielaniu poszczególnych jej części (kwasy huminowe, kwasy fulwowe i huminy) na podstawie ich

rozpuszczalności. Kwasy fulwowe rozpuszczają się zarówno w kwasach, jak i zasadach, kwasy

huminowe rozpuszczają się tylko w zasadach, natomiast humin nie można wydzielić ponieważ są

połączone z mineralną częścią gleby.

Metody stosowane obecnie w badaniach nad SOM skupiają się na jej rozdzieleniu na frakcje

labilną i trwałą. Frakcjonuje się je w sposób chemiczny, fizyczny lub biologiczny. Najczęściej oznacza

się węgiel zawarty w jednej z frakcji, a zawartość węgla drugiej oblicza się jako różnicę pomiędzy

całkowitą zawartością węgla organicznego a zawartością węgla oznaczonej frakcji [McLauchlan i

Hobbie 2004].

Metody chemiczne wydzielania frakcji labilnej SOM polegają na traktowaniu gleby kwasem,

nadmanganianem VII potasu lub na ekstrakcji za pomocą gorącej wody. Stosując te metody zakłada

się, że jeśli frakcja labilna jest łatwo rozkładana przez enzymy mikroorganizmów, to może ona być tak

samo rozkładana przez wymienione związki chemiczne i gorącą wodę [McLauchlan i Hobbie 2004].

Zawartość węgla frakcji SOM ekstrahowanej gorącą wodą wskazuje na ilość w glebie materii

organicznej, która ulega łatwemu rozkładowi. Suche powietrznie próbki miesza się z gorącą wodą w

stosunku 1:5 (gleba

:

woda). Po godzinie w czystym ekstrakcie oznacza się węgiel. Ekstrakt ten

zawiera biomasę mikroorganizmów glebowych oraz inne proste związki organiczne, na przykład

cukry i aminokwasy. Schulz i Köschens [1998] wykazali wysoką korelację pomiędzy ilością węgla

frakcji SOM ekstrahowanej za pomocą gorącej wody a biomasą mikroorganizmów oznaczoną za

pomocą wydzielanego CO

2

. Jak wynika z badań Leinweberga i innych [1995], koncentracja frakcji

materii organicznej ekstrahowanej za pomocą gorącej wody zmienia się w ciągu roku − swoje

maksimum osiąga wiosną, mniej jest jej w glebach jesienią, najmniejsze ilości autor odnotował latem.

Wartości te są skorelowane z zawartością materii organicznej i biomasą mikroorganizmów. Przyjmuje

się, że ta frakcja jest najbardziej narażona na degradację [Schulz i in. 2002, Leinweber i in. 1995].

Innym sposobem oznaczenia węgla frakcji labilnej SOM w glebie jest utlenianie jej

nadmanganianem VII potasu. Znając zawartość węgla frakcji labilnej ulegającej utlenieniu pod

wpływem KMnO

4

oraz nielabilnej, czyli nieutlenialnej, można obliczyć labilność jako iloraz tych

dwóch frakcji [Cieścińska 2007]. Węgiel labilny (L) jest też jednym z elementów potrzebnych do

obliczenia wskaźnika zagospodarowania węgla CMI [Cieścińska 2007]. Przy obliczaniu tego

wskaźnika uwzględnia się stosunek zasobów węgla w glebie badanej oraz porównawczej (CPI) oraz

wskaźnik labilności (LI) obliczony jako stosunek zawartości węgla labilnego oznaczonego w badanej

glebie do ilości węgla labilnego w próbie kontrolnej. CMI jest iloczynem CPI i LI wyrażonym w

procentach [Blair i in. 1998]. Wskaźnik ten jest m.in. przydatny do porównania zmian, które zachodzą

w zawartości węgla labilnego i ogólnego na skutek praktyki rolniczej.

Fizyczne metody oznaczania zawartości różnych frakcji SOM wykorzystują różnice w

gęstości lub rozmiarze poszczególnych frakcji SOM. Tymi metodami oznacza się frakcję lekką (LF),

która jest oddzielana od reszty SOM poprzez flotację.

Puget i inni [1998], McLauchlan i Hobbie [2004] oraz Li i inni [2006, 2007] prowadzili

badania nad agregatowością gleby oraz nad SOM występującą w agregatach glebowych. Puget i inni

[1998] i McLauchlan i Hobbie [2004] wyodrębniali w glebie makro- ( > 0,2 mm) i mikroagregaty ( <

0,2 mm). Li i inni [2006, 2007] analizowali trzy frakcje agregatów: gruboziarnistą (0,1−2 mm),

drobnoziarnistą (0,05−0,1 mm) i stabilną biologicznie ( < 0,05 mm), które uzyskali przesiewając glebę

na mokro przez sita 0,1 i 0,05 mm, po wcześniejszym wytrząsaniu jej z wodą destylowaną. Z badań

Puget i innych. [1998], Li i innych [2006, 2007] oraz Gregorich i innych [2003] wynika, że

makroagregaty są zasobne w młodą i łatwo rozkładającą się materię organiczną. W mikroagregatach

znajduje się SOM trudno rozkładająca się i jest jej mniej niż w makroagregatach. Według McLauchlan

i Hobbie [2004] mikroagregaty zawierają węgiel, który jest fizycznie chroniony przed rozkładem

przez mikroorganizmy. Six i inni [2000] porównywali akumulację materii organicznej w glebach

użytkowanych rolniczo i nieużytkowanych. Stwierdzili, że uprawa konwencjonalna powoduje

zmniejszenie żyzności i obniża zdolność sekwestracji węgla. Zauważyli, że w glebach

nieużytkowanych jest więcej makroagregatów, a materia organiczna związana z nimi ma wolniejsze

tempo rozkładu, niż ta występująca w makroagregatach gleb użytkowanych jako grunty orne.

Metody biologiczne frakcjonowania SOM polegają na wykorzystaniu mikroorganizmów − w

kontrolowanych warunkach − do oddzielenia węgla labilnego od węgla trwałego. Przyjmuje się, że

mikroorganizmy najpierw rozkładają węgiel najbardziej labilny, który jest oznaczany przez pomiar

wydzielanego CO

2

[McLauchlan i Hobbie 2004]. Za labilną część SOM uważany jest także węgiel

zawarty w biomasie mikroorganizmów. Ilość tego węgla oznacza się m.in. poprzez określenie ilości

biomasy mikroorganizmów w glebie za pomocą metody fumigacji-ekstrakcji [PN-ISO 14240-2].

4.

Podsumowanie

Poszczególne frakcje SOM występujące w glebie mogą różnić się od siebie właściwościami

fizyko-chemicznymi i ruchliwością w środowisku, a co za tym idzie − biodostępnością [Zbytniewski i

Buszewski 2001]. Labilna frakcja SOM jest uważana za dobry i czuły wskaźnik zmian zachodzących

w glebie, jej aktywności biologicznej, żyzności oraz stabilności agregatów w niej występujących

[Leinweber i in. 1995, Haynes 2000, Li i in. 2006]. Wymienione metody badań mogą różnić się w

ocenie ilości poszczególnych frakcji SOM, jednak wyniki uzyskiwane tymi metodami są wysoko

skorelowane ze sobą. Każdą z tych technik badawczych można zmierzyć nieco odmienne zasoby

węgla frakcji labilnych SOM, ponieważ w naturze ich labilność jest efektem działania różnych

czynników − enzymów, substancji chemicznych lub panujących w glebie właściwości fizycznych.

Dlatego dopiero badania przeprowadzone kilkoma różnymi metodami pozwalają właściwie ocenić

udział frakcji labilnych w glebie. Collins [McLauchan i Hobbie 2004] podaje że węgiel frakcji

labilnych w glebie stanowi 3−8% całkowitego węgla organicznego. Labilny węgiel jest ważnym

ź

ródłem energii dla podziemnych organizmów i jest wrażliwym wskaźnikiem zmian zachodzących w

ś

rodowisku. Według badań Schulza i innych [2002] na frakcję labilną, zwłaszcza na frakcję lekką i

łatwo rozpuszczalną, istotnie wpływa nawożenie. Metody służące do pomiaru ilości węgla różnych

frakcji SOM w glebie mają duże znaczenie w badaniach nad procesami związanymi z przemianą

materii organicznej i jej akumulacją w glebie, co w przyszłości powinno ułatwić ochronę jej zasobów.

Literatura

Blair G., Lefroy R., Whitbread A., Blair N., Daniel H. 1998. The use of a Carbon Management

Index (CMI) to monitor changes in soil carbon. Australian Society of Soil Science,

www.natres.psu.ac.th/Link/SoilCongress/bdd/symp12/436-t.pdf.

Bolan N.S., Adriano D.C., De-la-Luz M. 2004. Dynamics and environmental significance of

dissolved organic matter in soil. 3

rd

Australian New Zeland Soils Conference, University of Sydney,

Australia, www.regional.org.au/au/asssi/supersoil2004/pdf/1568_bolann.pdf.

Cieścińska B. 2007. Wykorzystanie wskaźników do oceny stanu materii organicznej gleb. Zesz.

Probl. Post. Nauk Roln., 520, 587−592.

Gonet S.S. 2007. Ochrona zasobów materii organicznej. [W:] Rola materii organicznej w środowisku.

Gonet S.S., Markiewicz M. (red.). PTSH, Wrocław, 7−29.

Gregorich E.G., Beare M.H. 2007. Physically Uncomplexed Organic Matter. W: Soil Sampling and

Methods of Analysis. Gregorich, E.G. and Carter, M.R. CRC Press, Inc. Boca Raton, FL, USA,

607−615.

Gregorich E.G., Beare M.H., Stoklas U., St-Georges P. 2003. Biodegradability of soluble organic

matter in maize-cropped soils. Geoderma ,113, 237−252,

Haynes R.J. 2000. Labile organic matter as an indicator of organic matter quality in arable and

pastoral soils in New Zealand. Soil Biology and Biochemistry, 32, 211−219.

Kleszczycki A., Kozakiewicz A., Łakomiec I. 1967. Porównanie metod stosowanych w badaniach

próchnicy gleb mineralnych. Rocz. Gleb., 17, 229−241.

Leinweber P., Schulten H.-R., Körschens M. 1995. Hot Water Extracted Organic Matter: chemical

composition and temporal variations in a long-term field experiment. Biol. Fertil. Soils, 20, 17−23.

Li X.G., Wang Z.F., Ma Q.F., Li F.M. 2007. Crop cultivation and intensive grazing affect organic C

pools and aggregate stability in and grassland soil. Soil & Tillage Research, 95, 172−181.

Li X.G., Li F.M., Rengel Z., Singh B., Wang Z.F. 2006. Cultivation effects on temporal changes of

organic carbon and aggregate stability in desert soils of Hexi Corridor region in China. Soil & Tillage

Research, 91, 22−29.

McLauchlan K.K., Hobbie S.E. 2004. Comparison of labile soil organic matter fractionation

techniques. Soil Science Society of America Journal, 68, 1616–1625.

PN-ISO 14240-2. Oznaczanie ilości biomasy mikroorganizmów w glebie. Metoda fumigacji-

ekstrakcji.

Puget P., Chenu C., Angers D., Balesdent J. 1998. Relation of soil aggregate dynamics to soil

organic matter decomposition. 16. Congrès mondial de science du sol. Montpellier,

www.natres.psu.ac.th/Link/SoilCongress/bdd/symp41/601-r.pdf

Schulz E., Köschens M. 1998. Characterization of the decomposable part of soil organic matter

(SOM) and transformation processes by hot water extraction. Eurasian Soil Science., 31, 809−813.

Schulz E., Travnikova L., Titova N., Kogut B., Korschens M. 2002. Influence of soil type and

fertilization on accumulation and stabilization of organic carbon in different SOM fractions. Proc.12-

th International soil conservation organization conference, Pekin, 305−308.

Six J., Elliott E.T., Paustian K. 2000. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation:

A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biology and Biochemistry, 32,

2099−2103.

Voroney R.P., Brookes P.C., Beyaert R.P. 2007. Soil Microbial Biomass C, N, P, and S. [W:] Soil

Sampling and Methods of Analysis. Gregorich, E.G. and Carter, M.R. CRC Press, Inc. Boca Raton,

FL, USA, 637−642.

Wegner K., Wąśniewska K. 1997. Skład frakcyjny próchnicy czarnych ziem − aspekty metodyczne.

Humic Subst. Environ., 97, 55−60

Zbytniewski R., Buszewski B. 2001. Speciation of natural organic carbon in terrestrial system. XVI

th

Ars Separatoria Borówno.

Adres:

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie im. Hugona Kołłątaja,

Katedra Gleboznawstwa i Ochrony Gleb

31-120 Kraków, Al. Mickiewicza 21,

e-mail: [e-mail]