23.9.2013
25. 1. 2013, Brno Připravil: Vítězslav Vlček, Ph.D.
Kvalita a zdraví půd Přednáška č.5
zajímavé postřehy…. • Zneužíváme půdu, protože ji považujeme za zboží, které nám patří. Pokud však vidíme zemi jako součást společenství, k němuž patříme, můžeme ji začít používat s láskou a úctou. „ Aldo Leopold, cca 1949
Acidifikace
1
23.9.2013
definice • acidifikace (=okyselování) patří k jedněm z nejvážnějších impaktů na půdu zejména v lesních ekosystémech a na minerálně chudých substrátech. • příznaky byly poprvé popsány v r. 1852 R. A. Smithem v Manchesteru (termín „kyselý déšť“). • k acidifikaci nejvíce přispívají emise SO2, NOx a NH4, • proces vede k vyplavování bazických kationtů do vod a vazebná místa pro kationty v půdě jsou nahrazována H+ a Al3+ s následkem toxického působení na rostliny a mikroorganismy.
• nejvíce postiženy jsou horské oblasti s vysokými srážkami, největší lesnatostí a převážně nízkou pufrační (tlumivou) kapacitou půd v důsledku pomalého zvětrávání minerálů a nízké nasycenosti půdy bazickými kationty. • kapacita většiny našich půd neutralizovat kyseliny zvětrávacími procesy je v rozpětí od 0,5 kmol ha-1 rok-1 na chudých substrátech, do 2 kmol ha-1 rok-1 na bohatších substrátech. • vzhledem k tomu, že kyselá depozice byla v minulosti ještě vyšší a její působení se dá počítat na desetiletí, jsou výsledkem závažné změny v chemickém stavu půdy a její resilienci.
2
23.9.2013
O3 H + SO4
Emise Sox,
H2SO4
Emise NOx
HNO3
Suchá depozice
H + NO3 Mokrá depozice
úhyn živočichů
sírany, vápník, hořčík hliník reakce s křemičitanovými minerály obsahujícími hliník
Zdroj: www2.mcdaniel.edu
3
23.9.2013
pH se nemění v důsledku rozpouštění uhličitanu vápenatého Acidifikace zpomalována zvětráváním alumosilikátů
9 8
neutralizace rozpouštěním Al v půdě neutralizace
7 6
pH
5
Rozpouštěním Fe v půdě
4 3 2 1
rychlost acidifikace je určována obsahem humusu a jílu (KVK)
došel dostupný hliník v půdě
0
čas (např. roky ale i desetiletí, případně století)
Proces acidifikace má několik vývojových fází: 1. 2. 3. 4. 5.
hodnoty pH se zpočátku nemění, protože půda obsahuje zásobu bazických kationtů, které pufrují kyselé vstupy po překročení pufrovací kapacity půdy začíná půdní reakce rapidně klesat hliník je při pH vyšším než 4,2 v půdě imobilní mobilita hliníku prudce stoupá při poklesu pH pod 4,2 v půdě začíná proces jeho vyluhování v poslední fázi se už dají jednoznačně dokázat škodlivé vlivy na ekosystém (poškození porostů, hynutí ryb apod.)
4
23.9.2013
Roční depozice S a N na plochu ČR
Zdroj: old.chmi.cz
Poškození půd okyselením • zhoršení půdní struktury a provzdušněnosti tvorbou nekvalitního humusu • pokles biologické aktivity • snížení efektivnosti použitých hnojiv • zhoršení úrodnosti • snížení sorpční kapacity • snížení pufrovitosti • uvolnění kovů do prostředí
Další důsledky kyselosti půdy na její hygienu • aktivizace patogenních a jiných hub v půdě s následným rozvojem chorob rostlin, snížení počtu a aktivity hlízkových bakterií, snížení nitrifikační schopnosti půd, • zpomalení uvolňování minerálního dusíku z organické hmoty a humusu v půdě • snížení příjmu fosforu a bóru rostlinami • petrifikace fosforu, tvorba variscitu a strengitu, • deficience draslíku a jeho uvolňování do půdního roztoku
5
23.9.2013
Další důsledky kyselosti půdy na její hygienu pokračování • zhoršení kvality humusu (převaha FK nad HK) • zvýšená mobilita těžkých kovů a jejich zvýšená akumulace v rostlinách, toxicita hliníku a poškozování kořenů rostlin, • destrukce půdy a zvýšená eroze rozpadem struktury • snížení klíčivosti semen a snížení výnosu kulturních plodin
Vliv pH na mobilitu některých prvků
Vápnění kyselých půd • má dvojí význam: – zlepšení kvality půdy – zlepšení výživy rostlin • Kvalita půdy se po vápnění zlepšuje: – – – – – –
tvorbou drobtovité struktury tvoří se kvalitní humus zlepší se činnost mikroorganismů zvýší se příjem kationtů (draslíku až o 92 % !!!) zvýší se příjem fosforu (až o 30 %) zvýší se výživa dusíkem (až o 21 %)
6
23.9.2013
Potřeba a použití vápnění • řídí se stupněm kyselosti a podle výsledků chemického rozboru • jsou dva typy vápnění – meliorační (upravuje reakci zásadním působem, odstraňuje poruchy) – udržovací (uchovává půdní reakci na požadované úrovni)
zásady vápnění vápnit v pozdím létě nebo na podzim dodržet odstup mezi vápněním a organickým hnojením CaO nepoužívat z jara pálené vápno rozmetat za suchého počasí slín rozhodit na podzim (Fe) louky a pastviny vápnit po poslední seči na lehkých a středních půdách zapravit podmítkou a potom orbou • na těžkých půdách rozdělit celkovou dávku na dvě – první zapravit podmítkou a druhou orbou • • • • • • •
7
23.9.2013
Potenciální odolnost půd vůči acidifikaci (z hlediska dosažení kritické hodnoty pH 4) půdní typ litozem,
vysoká
střední
X
X
X
X
X
X
X
ranker regozem, fluvizem, koluvizem
X
rendzina, pararendzina, smonice
X
černozem a černice
X
slabá
X
šedozem, hnědozem, luvizem, kambizem
X
X
andozem
X
X
X
X
X
X
kryptopodzol a podzol
X
stagnoglej glej a pseudoglej, organozem
X
solončak, slanec
X
jílovitá karbonátová
písčitá nekarbonátová
Zasolení/ alkalizace
definice • zasolování půd je jedním z půdotvorných procesů. Jedná se o akumulaci vodo-rozpustných solí (problém zejména aridních oblastí). • tento jev je spojen s vyšším obsahem solí v půdním roztoku, či podzemní vodě se všemi nepříznivými dopady na půdu. • zasolování půd vlivem lidské činnosti, je často spojováno s nadměrným použitím minerálních hnojiv či nevhodné závlahové vody.
8
23.9.2013
rozsah • zasolování půd se v Evropě týká asi 4 milionu hektarů, přičemž nejvíce je ohrožena Kampánie, údolí řeky Ebro a Velká uherská nížina. • jako nezasolené se označují půdy s koncentrací pod 0,2 % v suš. škodlivost • pro většinu zemědělských plodin se nebezpečnost snižuje v pořadí: MgCl2, Na2CO3, NaHCO3, NaCl, CaCl2, MgSO4, Na2SO4 • soli CaSO4, MgCO3, a CaCO3 škodlivé jen při vyšších koncentracích • Pro škodlivost není podstatná koncentrace ale druh solí
Kritické hodnoty některých prvků (mg/kg) prvek
obsah
metoda rozboru
P
250
přístupný dle Egnera
K
400
přístupný dle Schachtschabela
S
60
v 1M HCl
Cl
4
vodní výluh
Na
15
max. 15 % Na (mmol/kg) z celkového T
Klasifikace půd dle zasolení dle USDA
třída
obsah ve vodě rozpustných solí [%]
elektrická vodivost v [mS/cm]
0
0,00–0,15
0–4
nezasolená
1
0,15–0,35
4–8
slabě zasolená
2
0,35–0,65
8–15
středně zasolená
3
nad 0,65
nad 15
silně zasolená
slovní označení
9
23.9.2013
Klasifikace snášenlivosti zemědělských plodin k salinitě podle koncentrace (Maas, 1990) snášenlivost
koncentrace solí [mS/cm]
plodina
citlivé
pod 1,5
fazol, jetel, mrkev, salát
středně citlivé
1,5–3,0
kukuřice, vojtěška, brambory
středně snášenlivé
3,0–6,0
sója, pšenice
snášenlivé
6,0–10,0
ječmen, cukrovka
Tolerance vybraných plodin k zasolení (podle Gupta, Abrol, 1990, upravil Šarapatka) plodina
tolerance [mS/cm]
50% výnos [mS/cm]
ječmen
8,0
18,0
cukrovka
7,0
15,0
pšenice
6,0
13,0
sója
5,0
7,5
rajčata
0,5
7,6
kukuřice
1,7
5,9
vojtěška
2,0
9,0
Dělení vodních zdrojů v závislosti na koncentraci solí (Carter, 1969) salinita
vodivost (mS/cm) popis
nízká
0,00 – 0,40
Lze použít pro závlahu většiny plodin, možnosti zasolení jsou nízké.
střední
0,40 – 1,20
V těchto podmínkách mohou být pěstovány plodiny se střední tolerancí k zasolení bez speciálních opatření.
vysoká
1,20 – 2,25
velmi vysoká
2,25 – 5,00
Tato voda nemůže být použita na půdy s omezeným drénováním. Tato voda může být použita pouze pro závlahy ve speciálních podmínkách. Nezbytná je odpovídající drenáž.
10
23.9.2013
Potenciální nebezpečí sekundárního zasolení půd půdní typ
slabé
Litozem
X
Ranker, rendzina, pararendzina
X
Regozem
X
Fluvizem, glej, organozem
X
koluvizem, šedozem, hnědozem
X
Smonice Černozem a černice
X
Luvizem
0
Kambizem
X
Andozem, kryptopodzol, podzol
0
Pseudoglej a stagnoglej
0
střední
silné
X
X
X
X
X
X
Intoxikace cizorodými látkami a prvky
• kontaminace nejčastěji lidskou činností (hnojiva, pomocné látky, kaly, sedimenty, úniky průmyslové výroby apod.). • povolené limity obsahů rizikových prvků v půdě jsou uvedeny ve vyhlášce č. 13/1994 Sb. a 382/2001 Sb. • vyšší obsahy rizikových prvků v půdách mají negativní dopady na biologické a fyzikálně-chemické procesy v půdě, • riziko kontaminace potravního řetězce a negativně působí na zdraví člověka/zvířat.
11
23.9.2013
• těžké kovy jsou označovány prvky o objemové hmotnosti vyšší než 5 g/cm3 • hyperakumulace – schopnost rostlin vázat TK v koncentracích nad 0,1 hm. %v sušině (výjimkou Zn 1 %, Cd 0,01 % a Au 0,0001 %), pro rostliny používán termín metalofyty (základ fytoextrakce) • organické látky • radioaktivní látky
Transferové faktory půdních typů (obsah rostlina:půda) prvek
Regozem (P) Luvizem (H)
Cd
2,30 1,1 – 2,9 3,57 1,7 – 6,2 0,75 0,1 – 1,2 0,21 0,16 – 0,5
Zn Ni Cu
2,26 1,0 – 2,6 1,76 0,9 – 3,1 0,22 0,05 – 0,6 0,18 0,16 – 0,4
Černozem (H) 1,09 0,9 – 1,4 1,74 0,5 – 1,0 0,07 0,03 – 0,1 0,14 0,1 – 0,3
KP (HP) 3,09 1,8 – 5,0 0,60 0,3 – 0,9 0,05 0,02 – 0,08 0,10 0,08 – 0,3
2,30 – průměr všech variant 1,1 – 2,9 rozmezí varianty (min. bez přidání TK, max. nejvyšší dávka , 1.sklizeň)
Relativní toxicita některých rizikových prvků pro biotu
Pb
půdní fauna mikrobiota střední
cévnaté rostliny nízká
terestrická fauna střední
vysoká
Cd
vysoká
střední
vysoká
velmi vysoká
prvek
člověk
Cu
střední
nízká
střední
střední
Zn
střední
střední
nízká
nízká
Ni
nízká
vysoká
nízká
nízká
Cr
nízká
střední
nízká
nízká
Hg
střední
střední
vysoká
velmi vysoká
12
23.9.2013
Obsahy TK v daném typu média
atmosféra (mg/m3) pitná voda (mg/l) půda (návrh, mg/kg) potraviny (mg/kg)
Hg
Cd
Pb
0,000 3 0,001 1–2 0,01
0,003 0,005 2 0,05
0,007 0,05 100 0,5
0,002
0,05
0,3
0,1
0,30
2,0
1,5
3
100
nealko nápoje (mg/l) objemná krmiva čerstvá (mg/kg) průmyslové komposty (mg/kg)
Koncentrace chemických prvků (mg/kg) v různých hmotách (Hraško, Bedrna, 1988) chem. prvek
Silikátové horniny
půda
vápenec
superfosfát kaly
ropa
Cd
0,1 – 5
0,1 – 1
0,1 – 2
7,3 – 175
0 – 10
Cr
10 – 25
2 – 15
920
66 – 243
1 – 68
0,02 -
As
1 – 13
1 – 10
1–4
2 – 1 200
0 – 100
0,05 – 1,1
Hg
0,1 – 0,4
0,01 – 0,3
0,01 – 0,2
7 – 92
0,1 – 37
0,02 – 30
Ni
2 – 50
2 – 30
5 – 20
7 – 32
0 – 35
49 – 345
Pb
7 – 80
0,1 – 50
7 – 15
0,1 – 37
0 – 65
-
Sb
0,1 – 20
0,1 – 15
0,2 – 0,5
0,5 – 170
0 – 21
30 – 107
Cu
0,3 – 12
0,9 – 14
0,3 – 10
0,3 – 38
7,5 – 100
0,3 – 200
Zn
0,8 – 27
4 – 32
5 – 27
4 – 25
6 – 800
0,2 – 6
Rizikové prvky v půdách (obsah v mg/kg) zemědělského PF (vyhláška MŽP č. 13/1994 Sb.) prvek
výluh v 2M HNO3 (půda:roztok 1:10)
celkový obsah (lučavka královská)
Maximální přípustné hodnoty lehké půdy
ostatní půdy
lehké půdy
ostatní půdy
As
4,5
4,5
30,0
30,0
Be
2,0
2,0
7,0
7,0
Cd
0,4
1,0
0,4
1,0
Co
10,0
25,0
25,0
50,0
Cr
40,0
40,0
100,0
200,0
Cu
30,0
50,0
60,0
100,0
Hg
-
-
0,6
0,8
Pb
50,0
70,0
100,0
140,0
13
23.9.2013
Stříbro – v současnosti považováno za bezpečné… ale při vyšších koncentracích v rostlinách pozorován např: • • • • •
oxidativní stres v rostlinách produkce fytochelatinů ovlivnění příjmu vody rostlinami inhibice enzymů vliv na signální dráhy rostlin, biosyntézu ethylenu apod.
Samostatnou kapitolou jsou pak spady radioaktivních látek
Zdroj: nuclearfreeplanet.org
14
23.9.2013
Zdroj: cs.wikipedia.org a http://toxipedia.org/dis play/toxipedia/DDT
Potenciální nebezpečí intoxikace půd nebezpečnými prvky 1. skupiny (Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn) půdní typ
slabé
Litozem, glej
střední
X
ranker
X
X
X X
regozem, fluvizem, koluvizem
X
X
rendzina a pararendzina
X
X
smonice
X
černozem a černice
X
šedozem, hnědozem, luvizem, kambizem
X X
andozem
X
X
kryptopodzol a podzol
X
X
stagnoglej pseudoglej Organozem, solončak, slanec
silné
X
X
X
X
X
jílovitá karbonátová alkalická
písčitá nekarbonátová kyselá
Ztráta půdní organické hmoty
15
23.9.2013
Průměrný čas setrvání uhlíku v různých rezervoárech průměrně stráví atom uhlíku: • 5 let v atmosféře, • 10 let ve vegetaci (včetně stromů), • 35 let v půdě, a • 100 let v moři. u půd ve vyšších nadmořských výškách je tento čas delší
Půdní organická hmota (SOM) je pouze malou částí půdy, její význam je ale obrovský!!!
organická hmota minerální část
Proč dochází k akumulaci SOM
Akumulace humusu u Anhydromorfních půd Akumulace humusu u hydromorfních půd
16
23.9.2013
Poměr prvků v humusu a v posklizňových zbytcích
poměr
humus
posklizňové zbytky
C:N
10–15
70–100
C:P
40–60
200–400
C:S
60–80
400–800
Vztah mezi minerální frakcí a organickou hmotou
Adapted from Magdoff and Weil (2003)
Neorejte nebo nepojíždějte po půdě když je vlhká !!! Ohrožení struktury
Půdy s vyšším obsahem C jsou sice odolnější k poškození Struktury, ale…
(Watts and Dexter, 1997)
17
23.9.2013
Rozdělení organické hmoty v půdě (hm. %) (Theng et al. 1989, cit. Wood 1995, upraveno)
Půdní organická hmota
živá
mrtvá
<4%
> 90 %
kořeny
živočichové
5–10 %
15–30 %
mikroorganizmy 60–80 %
organické zbytky 10–30 %
humus 70–90 %
Živé organismy Posklizňové zbytky
Biologicky aktivní část
humus
Na základě odolnosti vůči mikrobiálnímu rozkladu a rozpustnosti v kyselinách a louzích se humusové látky dělí na: Fulvokyseliny (FK), rozpustné ve vodě Hymatomelanové kyseliny rozpustné v ethanolu Humínové kyseliny (HK), rozpustné v louzích Humáty – jsou soli humínových kyselin Humíny – jsou látky vzniklé spojením anorganického podílu a humínové kyseliny • Humusové uhlí – konečný produkt kondenzace
• • • • •
• Kvalita humusu se hodnotí poměrem HK:FK a poměrem C:N
18
23.9.2013
I když je nepravděpodobné, že by 2 humusové molekuly měli naprosto stejné složení, mají obecně tyto společné vlastnosti: • extrémní chemické složitost • odolnost vůči dalšímu rozkladu • vysoký specifický povrch a záporný náboj • tmavou barvu
2 % organické hmoty
4 % organické hmoty
Zdroj http://www.powershow.com/view/27164eMzJmN/Understanding_Soil_Organic_Matter_powerpoint_p pt_presentation
Efekt 20-letého rozdílného obdělávání půdy
19
23.9.2013
Půdní vzorky z osevních postupů pokusů Ed Edaa Stricklinga Stricklinga. 25 let konvenčního pěstování kukuřice
20 let pěstována lipnice a následně 5 let konvenčně kukuřice
Ale když přidáme vodu……
25 yrs of 20 yrs of bluegrass, then 5 conventional corn yrs conventional corn
Efekt 20letého osevního postupu na SOM při pěstování kukuřice v Beltsville (silt loam) Maryland
varianta s lipnicí
nepřetržité pěstování kukuřice s orbou
20
23.9.2013
Význam organických hnojiv • zabezpečují přísun organických látek do půdy, • jsou zdrojem energie a uhlíku pro půdní mikroorganismy, a tím pozitivně ovlivňují biologickou činnost půdy, • chrání trvalý humus před rozkladem (degradací), • zvyšují stabilitu půdních agregátů, • příznivě působí na řadu fyzikálně-chemických vlastností půdy,
Význam organických hnojiv - pokračování • organická hnojiva jsou hnojivy univerzálními, obsahují všechny rostlinné živiny a zlepšují využití živin, • zlepšují v půdě hospodaření s vodou (zvyšují vsak, vododržnost půdy aj.), • omezují působení vodní a větrné eroze v půdě, • příznivě ovlivňují obsah přístupného fosforu v půdě a mohou působit na vyvázání (imobilizaci) cizorodých prvků.
půdní organická hmota (Soil Organic Matter)
Kolik je tedy dost ?
21
23.9.2013
Jaký je stav organického hnojení • průměrná roční spotřeba organických látek je na orných půdách cca 4 t/ha (r. 1991) • z 57 % se na ní podílely posklizňové zbytky, včetně kořenové hmoty a exudátů (2,35 t OL / ha) a cca 43 % měla uhradit org. hnojiva (1,76 t OL / ha). • dodáno však bylo pouze 1,26 t OL/ha (Škarda a Římanovský, 1991),a v r. 2001 již jen 0,6 až 0,7 t organických látek na 1 ha orné půdy (Richter et al. 2001). • to znamená o cca 1 t/ha méně oproti potřebě…
Co brání vyššímu využívání organických hnojiv? • cena – náklady na hnojení tuhými průmyslovými hnojivy se dle použité technologie a výměry pohybují cca od 200 do 300 Kč/ha, – náklady na hnojení hnojem se při dávce 30 tun/ha pohybují cca od 2.500 do 6.500 Kč/ha (Kovaříček 2002). • nedokonalé ekonomické hodnocení přínosů organického hnojení. • neexistující metodika pro oceňování organické hmoty v hnojivu dle kvalitativních ukazatelů
Jak by šlo dosáhnout vyššího využívání organických hnojiv? • dotační podporou hnojení organickými hnojivy (zrušená dotace MZe na využívání kompostů v zemědělství). • dotační podpora na využívání biologických odpadů. • opatření na straně farmáře (Škarda 1992): – kvalifikovaná volba systému organického hnojení, – bilancování organických látek v zemědělství na bázi kvalitních a efektivně využívaných statkových hnojiv či kompostů. • oceňování kompostů na základě kvalitativních parametrů
22
23.9.2013
„Shrnutí odolnosti půd vůči degradaci“
Kategorie půd v ČSFR podle odolnosti vůči poškození, Kategorie půd
Půdní druh
Půdní typ
I. neodolné
lehké
KA, KAd, PZ, + mělké a silně skeletovité půdy
II. silně náchylné
lehké + střední
CE, RN, FL, CC, KA, KAd, PZ, PG, GL, FLg, CCg, dále erozní formy půd na svazích nad 12 st.
III. náchylné
střední
HN, LU, FL, CC, PG, KAq, KAd, (HNq, LUq, KAq) KA, KAd, GL, (FLq, CCq) a erozní formy půd na svazích 7-12 st.
těžké IV. slabě náchylné
střední těžké
CE, RZ CC, FL, PG, (KAq)
V. odolné
těžké
CE, SM, RZ
Měli byste znát odpovědi na otázky: • • • • • • • • • • •
co je to acidifikace, salinizace a jak vzniká které sloučeniny mohou způsobovat zasolení co mohu udělat s půdou intoxikovanou TK čím je neutralizovaná půda při určitém pH jaký má vliv salinizace, acidifikace na půdu jaký má vliv snížení POH, jaký je průměrný obsah orných půd v ČR u půd v horských oblastech je větší množství POH – proč co brání většímu používání organických hnojiv v ČR opatření proti acidifikaci které půdy jsou obecně odolnější vůči acidifikaci (vyber z přiloženého seznamu) a proč které půdy jsou obecně náchylnější vůči intoxikaci TK (vyber
23
23.9.2013
• • • • •
co brání většímu používání organických hnojiv v ČR opatření proti acidifikaci, salinizaci, intoxikaci TK které půdy jsou obecně odolnější vůči acidifikaci a proč které půdy jsou obecně náchylnější vůči intoxikaci TK a proč potřeba vápnění
24
