Půdní reakce pH = - log konc.H+
řízeno:
• matečnou horninou •stupněm zvětrávání a vyplavování •činností člověka
pH výměnné (pHKCl)
pH aktivní (pHH2O)
zásadité půdy - obvykle obsahují CaCO3 a NaCO3, výměnná kapacita saturována Ca2+, Mg2+, Na+, K+ kyselé půdy - výměnná kapacita saturována H+, Al3+
Hlavní zdroje kyselosti půd aktivní kyselost způsobená H+ a Al3+ v půdním roztoku výměnná kyselost způsobená vytěsněním výměnných H+ a Al3+ do půdního roztoku reziduání kyselost způsobená H+ a Al3+ na nevýměnných pozicích (nelze ji stanovit v rámci výměnné acidity, ale je ji možno neutralizovat vápencem)
Při acidifikaci půd - vedle H+ - významná role i Al3+ H2O
Al3+
H+
H2O
AlOH2+ H2O H+ 5,0
H2O
H+
H+
Al(OH)30
Al(OH)2+ H2O 5,1
H+
H2O H+ 6,7
Vnitřek kořene
Půdní roztok NH4+ H+ Ca2+ 2 H+ Ca2+ SO42NO3HCO3-
Příjem kationtů balancován uvolňováním H+ - okyselování půdy
Příjem kationtů balancován příjmem aniontů- nemá vliv na pH
Příjem aniontů balancován výdejem bikarbonátových intů- alkalizující effekt
Skutečné pH - závisí na rovnováze mezi produkcí a spotřebou H iontů: Okyselující procesy (produkce H+)
Alkalizující procesy (spotřeba H+)
tvorba k. uhličité
vstup karbonátů a bikarbonátů
disociace organických kyselin
protonace kationtů
(RCOOH ⇒ RCOO- + H+)
(RCOO- + H+⇒RCOOH)
oxidace N,S a Fe sloučenin
redukce N,S a Fe sloučenin
atmosférická depozice H2SO4 a HNO3
atmosférická depozice Ca a Mg
spotřeba kationtů rostlinami
spotřeba aniontů rostlinami
akumulace kyselé OH (fulvokyseliny)
specifická adsorpce aniontů (hlavně SO42-)
srážení kationtů v uhličitanech,
zvětrávání a uvolňování kationtů z hornin
a hydroxidech a křemičitanech
Vztah mezi výměnnou a aktivní kyselostí
Pufrační schopnost půd
• •
Schopnost půdy udržet si pH i když se do půdního roztoku uvolňují anionty nebo kationy čím větší CEC tím větší pufrační schopnost
Význam:
• zaručuje stabilitu půdního prostředí • ovlivňuje množství živin, které se musí do půdy přidat
pH x rostliny a organismy 1. Mění se dostupnost živin a toxicita prvků: Kyselé půdy: nízká dostupnost C,N,P.K,N a S, Mo, B zvýšená dostupnost Fe, Mn, Zn, Cu, Co (mikronutrientů) Alkalické půdy Mo a makronutrienty - dostupné, ale nízká dostupnost Fe, Mn, Zn, Cu a Co, také P a B Dostupnost P
2. Mění se enzymová aktivita a na prostupnost membrán 3. změna potravní nabídky pro půdní živočichy. 4. Změna rozpustnosti organické hmoty
aktinomycety
10
většina bakterií 7
tolerance ke zvyšující se alkalinitě
pH půdy
většina hub bakterie oxidující S (Thiobacillus)
2
tolerance ke zvyšující se aciditě
aerobní půdy pH není příliš ovlivněno oxidačně redukčními procesy respirace (H+ = e-) anaerobní půdy H+ ≠ e- , vodíkové ionty, které vznikají v přebytku reagují s přítomnými látkami, „ubývají“ ze systému a roste pH
Okyselování půd činností člověka -
hnojení dusíkem (síran amonný, fosforečnan amonný organickými hnojivy (splaškové vody, hnůj) kyselé depozice z atmosféry drenážování pobřežních mokřadů vykopání materiálů obsahujících pyrit
Zvyšování pH činností člověka
- vápnění - zaorávání posklizňových zbytků a mulčování
Hrubá primární produkce (HPP ) - respirace autotrofů (temnostní resp., kořeny)
Nadzemní produkce: nadzemní části rostlin, mechy, řasy, lišejníky,
čistá primární produkce (NPP) - respirace heterotrofních organismů čistá produkce ekosystému (NEP) živá a mrtvá biomasa rostlin, živočichů a půdní org. hmota vytvořená za časovou jednotku
Půdní organická hmota: celosvět. zásoba = 1,5 x 1018 g C 2-3 x více než v nadzemní biomase rostlin závisí na : NEP (NPP) abiotických faktorech (hlavně vlhkost a teplota)
Podzemní produkce: kořeny rostlin a rhizodeponie
ekosystém produkce kořenů (% NPP) lesy mírného pásu 13-46 louka mírného pásu 50-75 step 50 polopoušť 12 zemědělské půdy: kukuřice, soja 25 _______________________________________ produkce rhizodeponií: 1-30% HPP
Odhad NPP, ročního množství opadu a obsahu org. hmoty v půdě
ekosystém
dešťový prales
čitá primární produkce gC m-2 rok-1
roční opad obsah org. hmoty gC m-2 v půdě (gC m-2) rok-1
1035
833
8000
les mírného pásu
630
383
12000
louka mírného pásu
540
405
30000
68
56
8000
39
37
6500
14
6,8
2500
563
135
8000
polopoušť tundra (lyšejníky, bylin.p.) poušť zemědělská půda
půdní organická hmota (SOM – soil organic mater) nezměněná
•rostlinný opad - nově do půdy vstupující nebo nezměněné komponenty starších zbytků, měřitelný jako lehká frakce půdní SOM,í 5-15% SOM
-cytoplasmatické látky -strukturní rostlinné látky (primární a sekundární buněčné stěny) příčiny špatné rozložitelnosti strukturních látek: -nesnadná přístupnost krystalických částí celulózových a chitinových vláken -vysoký stupeň polymerace -stupeň hydratace polymerů, - propojení dvou a více různých polymerů (celulóza, hemicelulózy, pectin, lignin) v buněčných stěnách -fyzikální bariéra tvořená vosky (kutin, suberin), hydrofóbní vlastnosti -bakteriostatické vlastnosti některých rostlinných látek (hlavně komponenty ligninu, dále terpeny, alkaloidy, taniny)
kořeny rostlin
• 15-35% primární produkce (i 50% na loukách) • v porovnání s nadzemními částmi rostlin obsahují větší podíl ligninu, vosků a suberinu
kořenové exudáty
• 1-30 % primární produkce • 50-90 % nerozpustný materiál (polysacharidy hlavně hemicelulózy, pektin), zbytek jsou organické kyseliny, aminokyseliny a cukry
přeměněná organická hmota odumřelí živočichové a zbytky živočichů,
v půdách dlouhodobě přetrvávají chitinové schránky
• mikroorganismy a produkty jejich rozkladu tvoří 2-4% SOM,
- cytoplasmatické látky - buněčné stěny – u bakterií tvoří cca 15% sušiny, u mikromycetů více - produkty metabolismu meziprodukty rozkladu slizy – jejich tvorba ovlivněna: • limitací P a N - zvyšuje se • aerací půdy – zvyšuje se po aeraci a v anaerob. podmínkách • teplotou a vlhkostí – zvyšuje se při nízkých teplotách a při snižování půdní vlhkosti
•
humusové látky – huminy, huminové kyseliny a fulvokyseliny většinou vysokomolekulární látky, o jejich vzniku se příliš neví, složité, nejednotné složení, komplexace s jílovými minerály a kationty
extrakce NaOH nebo Na4P2O5 extrakce silnou kyselinou
humin. sraženina = huminové kyseliny v roztoku = fulvokyseliny
podíl jednotlivých extrahovaných komponent se mění s půdním typem Fulvokyseliny jsou nízkomolekulární látky (m.v. 1000 – 30 000). Jsou složeny z aromatických jader s velkým množstvím postranních řetězců. Huminové kyseliny mají vyšší molekulovou hmotnost než fulvokyseliny (10 000-100 000). Jsou složeny z aromatických jader, dusíkuv cyklické formě a peptidických řetězcích. Jsou tvořeny polykondenzací
Rostlinný materiál Pomalu rozložitelný C
Snadno rozložitelný C
CO2
Aktivní půdní organická hmota (OH)
CO2 CO2
Mikrobní biomasa
Nesnadno rozložitelný C
CO2 Rostlinné a mikrobiální metabolity
CO2 CO2 Pasivní půdní OH (humus)
Stabilní a fyzikálně chráněný C
Pomalu se rozkládající C
Podíl organické hmoty v půdě a její složení 3
Minerální podíl - 94%
6
Organická hmota
kořeny 2
Mrtvá organická hmota - 84%
9
7 organismy
3 1
0%
45% 20% včetně 40% Bakterie aktinomycet
25% fungi 60% houby
14% 5
80%
4
100%
Zodpovídají za transformaci více než 95% veškeré organické hmoty v půdě
mikrofauna mezofauna makrofauna megafauna
Přenos energie z primárních producentů do heterotrofních organismů v dekompozičním potravním řetězci. Microfauna Microflora
Bacteria
Macrofauna
Mezofauna 200 μm
20 mm
2 mm
Fungi Nematoda Protozoa Acar Collembola
Enchytraeidae Isoptera Isopoda Amphipoda Diplopoda Megadrili Coleoptera Mollusca
1
2
4
8
16
32 μm
64
128
256
512 1024
2
4
8
16
32
64
mm
Všichni heterotrofové nezávisle na velikosti či objemu se podílejí na spotřebě organické hmoty a živin v ní vázaných. Část spotřebovaného materiálu využívají ke stavbě svého těla a část ¨je spotřebována (spálena) v katabolických procesech a přeměněna na oxid uhličitý
Závislost akumulace org. hmoty na teplotě a vlhkosti A = primární produkce B1 = rychlost dekompozice v aerobních podmínkách B2 = rychlost dekompozice v anaerobních podmínkách
Dusík v organické hmotě
klimatická celkový N zóna (%)
N*
arktická mírný pás subtropická tropická
13,9 13,5 15,8 11,1
0,02-0,16 0,02-1,06 0,03-0,3 0,02-0,16
formy N (% celkového N) NH3** amino- aminokyseliny cukry 32 33,1 4,5 27,5 35,9 5,3 18 41,7 7,4 24 40,7 6,7
hydrolyzovatelný N 16,5 17,8 17,1 17,6
* N nerozpustný v kyselinách ** NH3 po hydrolýze, zahrnuje NH3 vázaný v jílových minerálech a z hydrolyzovaných kovalentních vazeb
N assimilation and mineralisation occur simultaneously. Whether mineralisation or immobilisation prevails during decomposition depends on C/N ratio of decomposed material
Decomposed material, C/N = 50 100 g C & 2 g N CO2 40 g
NO3- NH4+ N2
Yield = 60%
Produced microbial cell, C/N = 4-15 60 g C & 15 - 3.6 g N N mineralization can never be eliminated in healthy soil. But mineralized N can be used by plants, other microorganisms or bind on clay.
Soil profile description bulk density (g cm-3)
Soil depth
5 cm
20 cm
pH(H2O)
moisture (%H2O)
100 cm 0
1
2
0
40
80
4
6
8
• Change of measured parameters with depth of soil profile (mean, median, 10th, 25th, 75th, 90th percentiles, n=36)
Microbial respiration and counts of bacteria in soil profile respiration rate (μg C g-1 h-1) bacteria (DC*109 g-1)
20 cm
Soil depth
5 cm
100 cm 0
40
0
1
40
80
100
• 95% of respiration activity is concentrated in upper 20 cm • respiration decreased with depth faster than bacterial counts
Velikostní rozdělení půdních organismů vychází z toho, že organismy podobné velikostí mají: • podobnou generační dobu • osídlují volné prostory podobné velikosti • využívají podobnou velikostní škálu potravy s podobnou účinností (přímý podíl na toku energie může být důležitý pouze tam, kde organismus a zdroj potravy jsou podobné velikosti) Microfauna Microflora
Bacteria
Macrofauna
Mezofauna 200 μm
20 mm
2 mm
Fungi Nematoda Protozoa Acar Collembola
Enchytraeidae Isoptera Isopoda Amphipoda Diplopoda Megadrili Coleoptera Mollusca
1
2
4
8
16
32 μm
64
128
256
512 1024
2
4
8
16 mm
32
64
Mikrotrofní společenstva - vodní film na povrchu OH a pórů, povrch kořenů - hlavní zdroj potravy: mikroorganismy - generační doba: dny až týdny - velikost: od 10-7 do 10-15 g 1. článek potravního řetězce Mezotrofní společenstva - vzdušné prostory mezi a uvnitř OH a uvnitř pórů
- hlavní zdroj potravy: houby, mikrofauna - generační doba: měsíce - velikost: od 10-2 do 10-7 g nedochází k mechanickému rozrušování profilu rozvoj založen na využití velkého množství zdrojů houbami Makrotrofní společenstva - pohyb v půdním profilu - hlavní zdroj potravy: OH, mezofauna - generační doba: rok a více - velikost: řádově gramy mechanické rozrušování profilu a OH
Zásadité půdy
