Józefowska A., 2009, Materia organiczna gleby i metody jej

Józefowska A., 2009, Materia organiczna gleby i metody jej

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].
MATERIA ORGANICZNA GLEBY
ORGANIC COMPOUNDS OF SOIL
ŻYWE ORGANIZMY (EDAFON)
ZEWNĘTRZNA MATERIA ORGANICZNA
LIVING ORGANISMS (EDAPHON)
EXOGENOUS ORGANIC MATTER (EOM)
SUBSTANCJA ORGANICZNA GLEBY
SOIL ORGANIC MATTER (SOM)
LABILNA MATERIA ORGANICZNA
TRWAŁA (NIE LABILNA) MATERIA ORGANICZNA
LABILE FRACTION OF ORGANIC MATTER
RECALCITRANT ORGANIC MATTER
BIOMASA MIKROORGANIZMÓW
MICROBIAL BIOMASS
FRAKCJA LEKKA
LIGHT FRACTION (LF)
FRAKCJA ROZPUSZCZALNA W WODZIE
DISSOLVED ORGANIC MATTER (DOM)
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
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 CO2. 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 KMnO4 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 CO2 [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
źródłem energii dla podziemnych organizmów i jest wrażliwym wskaźnikiem zmian zachodzących w
środowisku. 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. 3rd 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 fumigacjiekstrakcji.
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.12th 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: [email protected]