Gleboznawstwo 02, studia


Substancja organiczna gleby

Jednym z podstawowych i charakterystycznych składników gleby jest substancja organiczna. W jej skład wchodzą wszystkie obumarłe szczątki roślinne i zwierzęce oraz organiczne produkty ich rozkładu nagromadzone w różnej postaci, zarówno w glebie, jak i na jej powierzchni. Martwa substancja organiczna i produkty jej biochemicznych przemian decydują o korzystnym układzie całego kompleksu właściwości gleby, od których z kolei zależy jej żyzność i produkcyjność.

Głównymi źródłami substancji organicznej gleby są:

Substancje organiczne w glebach stanowią układ dynamiczny, ulegający ciągłym przemianom. Charakter i nasilenie tych przemian zależą od szaty roślinnej, działalności mikroorganizmów i zwierząt glebowych, warunków hydrotermicznych oraz właściwości gleb. Przyjmuje się ogólnie, że około 3/4 do 4/5 substancji organicznych ulega procesom mineralizacji, natomiast 1/4 do 1/5 przekształca się w swoiste substancje próchniczne.

Materia organiczna w glebie, organiczna część gleby składająca się z resztek roślinnych i zwierzęcych oraz organicznych produktów działalności życiowej organizmów glebowych (bakterii, grzybów, promieniowców, mezofauny glebowej), podlegająca procesom mineralizacji i humifikacji. W glebach mineralnych użytkowanych rolniczo próchnica stanowi 80-90% całej substancji organicznej gleby.

Definicja substancji próchnicznych gleby

Na ważną rolę substancji organicznej w glebie zwracano uwagę już w starożytnym Egipcie.

Łaciński "humus" pochodzi bowiem od staroegipskiego słowa "k 'hem", oznaczającego żyzny namuł. Substancja organiczna gleby stała się przedmiotem dociekań badaczy pod koniec XVIII wieku. Zaczęto wówczas zwracać coraz większą uwagę na jej korzystny wpływ na cały kompleks właściwości gleby, determinujących jej żyzność i produkcyjność.

W skład substancji organicznej gleby wchodzi cały szereg mało poznanych substancji,

począwszy od stosunkowo świeżych, nierozłożonych jeszcze resztek roślinnych i zwierzęcych, aż do ciemno zabarwionych substancji bezpostaciowych, będących produktami skomplikowanych procesów humifikacji. W ostatnich latach notuje się wyraźny postęp w badaniach substancji próchnicznych gleb, jednak jeszcze wiele problemów nie znalazło wyjaśnienia. Świadczy o tym brak ścisłej definicji substancji próchnicznych gleby, jak też występowanie terminologicznych rozbieżności dotyczących pojęcia próchnicy (humusu).

Przy definiowaniu związków próchnicznych Kubiena przyjął ekologiczny punkt

widzenia, zaliczając do nich te substancje organiczne, które okazały się trudne do rozkładu i dlatego uległy nagromadzeniu w glebie.

Laatsh za substancje próchniczne uważał tę część substancji organicznej, która nie

wykazuje już makro- i mikroskopowo rozpoznawalnej struktury tkanek organizmów, z których powstała.

Hayes i Swift (1978) definiują substancje próchniczne (humic substances) jako amorficzną,

o brązowym zabarwieniu materię, której struktura i właściwości są mało poznane. W krajach angielskiego obszaru językowego pod pojęciem próchnicy rozumie się najczęściej te glebowe substancje organiczne, które pod wpływem procesu humifikacji zatraciły całkowicie strukturę obumarłych tkanek. Dzielone są one za Kononową (1966, 1975) na substancje swoiste (humic substances) i nieswoiste (non-humic substances).

Ze względu na złożony charakter substancji próchnicznych oraz wciąż niedostatecznie

jeszcze wyjaśnioną ich budowę, nie istnieje ścisła i uniwerslana definicja próchnicy. Uwzględniając różne punkty widzenia, próchnicę - czyli humus - można określić jako:

  1. mieszaninę amorficznych, ciemno zabarwionych substancji o charakterze koloidalnym, powstających w glebie w wyniku procesów humifikacji,

  2. produkt zachodzącej w środowisku glebowym kondensacji polifenoli i aminokwasów,

  3. naturalny produkt biologicznej aktywności środowiska glebowego, powstający w wyniku transformacji resztek organicznych pod wpływem odziaływania makro- i mikroorganizmów.


Substancje organiczne występujące w glebie można podzielić następująco:

0x01 graphic

Materia organiczna gleby - wszystkie występujące w glebie związki zawierające węgiel

pochodzenia organicznego. Zalicza się tu zarówno spotykane w glebie żywe organizmy jak też obumarłe szczątki organiczne wraz z produktami ich rozkładu i humifikacji, określane mianem substancji organicznej gleby.

Substancja organiczna gleby - suma obumarłych składników organicznych (głównie roślinnych)

występujących w glebie, od świeżych, nierozłożonych resztek roślinnych i zwierzęcych do bezpostaciowych produktów rozkładu i resyntezy. Substancja organiczna występuje w glebie w zróżnicowanej morfologicznie postaci, na podstawie której wyróżniane są tzw. formy i typy próchnicy.

Żywe organizmy (edafon) - na ogół nie są zaliczane do substancji organicznej gleby, chociaż

w warstwach ornych edafon (głównie mikroorganizmy i części podziemne roślin) stanowi 10-15 % ogólnej masy martwej i żywej materii organicznej gleby.

Szczątki organiczne - resztki roślinne i zwierzęce zarówno świeże, jak też wykazujące różny

stopień rozkładu.

Substancje próchniczne - ciemno zabarwione, bezpostaciowe substancje będące produktami

rozkładu resztek organicznych oraz związki będące wynikiem resyntezy powodowanej przez mikroorganizmy w glebie. Dzielone są na swoiste i nieswoiste substancje próchniczne.

Swoiste substancje próchniczne - są to wysokocząsteczkowe związki o mało rozpoznanej

budowie, które można wyekstrahować 0,1 M roztworem NaOH. Substancje te stanowią 25-90 % substancji próchnicznych. Są one dzielone na:

Nieswoiste substancje próchniczne - należą tu związki o dobrze rozpoznanej budowie,

zaklasyfikowane do różnych w chemii organicznej grup strukturalnych. Stanowią one 10-15 % substancji próchnicznych. Należą tu między innymi:

 

Charakterystyka swoistych związków próchnicznych

Do swoistych związków próchnicznych gleby należy kompleks bezpostaciowych

substancji organicznych o barwie od żółtej poprzez brunatną do czarnej, do których należą: kwasy huminowe, kwasy fulwowe i huminy.

Kwasy huminowe - frakcja związków próchnicznych o barwie ciemnobrązowej do czarnej, które

mogą być ekstrahowane z gleby za pomocą alkalicznych rozpuszczalników (NaOH). Są nierozpuszczalne w wodzie w warunkach kwaśnych (pH < 2) i dlatego ulegają strąceniu po zakwaszeniu roztworu.

Kwasy fulwowe - frakcja związków próchnicznych o barwie żółtej do żółtobrązowej,

rozpuszczalnych w wodzie w całym zakresie pH. Pozostają one w roztworze po strąceniu kwasów huminowych w wyniku zakwaszenia roztworu.

Huminy - frakcja związków próchnicznych o barwie czarnej nierozpuszczalnych w wodzie w

całym zakresie pH (nierozpuszczalne w zasadach i kwasach). Huminy należą do najmniej zbadanych substancji próchnicznych.

Poszczególne frakcje próchniczne stanowią układ zróżnicowanych ale pokrewnych sobie

związków organicznych. Różnią się one między sobą: masą cząsteczkową, liczbą grup funkcyjnych, stopniem polimeryzacji i innymi cechami.

Można zaobserwować

następujące zależności. Zawartość węgla oraz intensywność zabarwienia wzrastają wraz ze stopniem polimeryzacji i wzrostem masy cząsteczkowej (od kwasów fulwowych do humin). Natomiast zawartości tlenu, kwasowość i rozpuszczalność maleją ze wzrostem stopnia polimeryzacji. Kwasy fulwowe zawierają więcej grup funkcyjnych o charakterze kwaśnym, zwłaszcza grup COOH. Całkowita kwasowość kwasów fulwowych wynosi 900 - 1400 meq/100g i jest znacznie wyższa niż kwasów huminowych (400 - 870 meq/100g).

Zdolności sorpcyjne związków próchnicznych przewyższają kilka lub kilkanaście razy

pojemność sorpcyjną składników mineralnych kompleksu sorpcyjnego.Źródłem ładunków zależnych od pH są przede wszystkim grupy karboksylowe i fenolowe związków próchniczych, z których wodór, związany kowalentnie, oddysocjowuje w miarę wzrostu pH, przyczyniając się do powiększania ładunku ujemnego.Inną istotną różnicą w budowie kwasów humusowych jest to, że tlen w kwasach fulwowych jest w większości powiązany z grupami funkcyjnymi, natomiast większa część tlenu w kwasach huminowych jest związana z rdzeniem aromatycznym. (Stevenson 1979, Stevenson 1982)
Badania przeprowadzone przy użyciu mikroskopii elektronowej potwierdzają budowę polimeryczną kwasów huminowych. Poszczególne makrodrobiny mają kształt kulisty, świadczący o sferycznej ich budowie i są połączone ze sobą w formie pierścieni, łańcuchów i gron. Wielkość makrodrobin nie jest jednakowa dla wszystkich kwasów huminowych. (Drozd 1978)

Kwasy huminowe pod mikroskopem elektronowym, transmisyjnym. (Drozd 1978)

Ze względu na różnorodność i zmienność kwasów huminowych, nie można jednoznacznie określić ich struktury.Przyjmuje się, że kwasy huminowe są polimerami składającymi się z rdzenia aromatycznego, który jest połączony wiązaniami z aminokwasami, cukrami, peptydami, alifatycznymi kwasami i innymi składnikami o budowie alifatycznej. Rdzeń składa się z pierścieni aromatycznych typu fenoli lub związków zawierających azot w postaci cyklicznej (indol, pirymidyna i inne).

Skład elementarny substancji próchnicznych i roślinnych. (Kononowa 1968)

Związki

% absolutnie suchej masy bezpopielnej

C

H

O

N

Kwasy fulwowe

44 - 49

3,5 - 5,0

44 - 49

2,0 - 4,0

Kwasy huminowe

52 - 62

3,0 - 5,5

30 - 33

3,5 - 5,0

Białka

50 - 55

6,5 - 7,3

19 - 24

15,0 - 19,0

Lignina

62 - 69

5,0 - 6,5

26 - 33

-

Stosunek kwasów huminowych do fulwowych

Zawartość kwasów huminowych i

fulwowych w próchnicy waha się znacznie w zależności od typu gleby, ich procentowy udział oznacza się metodą sekwencyjnej ekstrakcji. Stosunek kwasów huminowych do fulwowych wskazuje na kierunek transformacji substancji organicznej w glebie.

Próchnica gleb leśnych

charakteryzuje się wysoką zawartością kwasów fulwowych, natomiast próchnica gleb łąkowych i torfowych odznacza się dużą przewagą zawartości kwasów huminowych.Stosunek kwasów huminowych do fulwowych zazwyczaj zmniejsza się wraz ze wzrostem głębokości profilu. (Stevenson 1982)

Stosunek kwasów huminowych do kwasów fulwowych w wierzchnich poziomach wybranych gleb (Kononowa 1966)

Gleba

kw. huminowe/kw. Fulwowe

Gleba

kw. huminowe/kw. fulwowe

Czarnoziem

2.0 - 2.5

Szara leśna

1.0

Szaroziem

1.7

Bielica

0.8

Kasztanowa ciemna

1.5 - 1.7

Tundrowa

0.3

Charakterystyka nieswoistych substancji próchnicznych

Węglowodany

Substancja organiczna gleb zawiera zwykle 5-25% węglowodanów. Resztkiroślinne

wprowadzają do gleby cukry w postaci cukrów prostych, hemicelulozy, celulozy itp. Są one rozkładane przez bakterie, promieniowce i grzyby,które wykorzystują je do syntezy polisacharydów i innych cukrów. (Stevenson 1982)

Znaczenie węglowodanów

Rola węglowodanów w glebie jest następująca:

Podział węglowodanów

Wyróżniamy 3 główne grupy :

Formy węglowodanów w glebie

1. cukry proste w roztworze glebowym,

2. polisacharydy,

3. cukry silnie związane przez koloidy glebowe,

Udział niektórych węglowodanów w substancji organicznej gleby

(Stevenson 1982)

Cukier

% substancji organicznej

Aminocukry

2-6

Kwasy uronowe

1-5

Cukry proste

4-17

Celuloza

do 15

Inne

śladowe ilości

Tłuszczowce

Grupa substancji organicznych nazywanych ogólnie tłuszczowcami jest grupą związków o

różnych właściwościach, pochodzących z różnychgrup chemicznych.Są one reprezentowane przez różnorodne związki, począwszy od prostszych: np. kwasów tłuszczowych do bardzo złożonych jak:sterole, terpeny,tłuszcze, woski i żywice. Największe znaczenie mają te ostatnie: tłuszcze, woski i żywice. Woski i smoły znane są pod nazwą substancji bitumicznych lub bitumin, które ekstrahuje się z gleby najczęściej mieszaniną alkoholu i benzenu.

W glebie tłuszczowce występują prawdopodobnie głównie w resztkach roślinnych. Małe

ilości tłuszczowców są związane w żywych i martwych, nierozłożonych ciałach mikrofauny glebowej.Tłuszcze,woski i żywice stanowią 2-6% substancji organicznej.

Tłuszczowce mają wpływ na procesy fizjologiczne roślin. Niektóre z tych związków

posiadają stymulujące działanie na wzrost roślin, a inne wręcz przeciwne - hamują go. Ponadto woski i ich pochodne mogą przyczyniać się do zwiększaniaretencji wodnej gleb, zwłaszcza piaszczystych. (Stevenson 1982)

Aminokwasy

Aminokwasy są związkami organicznymi, których cząsteczki zawierają dwie grupy

funkcyjne. Grupę aminową, która ma właściwości zasadowe i grupę karboksylową o charakterze kwasowym.

Aminokwasy występują w glebie w kilku różnych formach, takich jak:

  1. Wolne aminokwasy

  • Aminokwasy, peptydy, białka związane z minerałami ilastymi: