Zdroje prvků v půdě
Pedogeochemie
geologický a biologický koloběh látek uvolňování z vazeb (zvětrávání) migrace vyluhování akumulace biologické procesy a akumulace
produkty přírodních pochodů prachové bouře, sopečná činnost atmosférické srážky a spady
antropogenní
Procesy ovlivňující obsahy prvků v půdě
nerosty, horniny, ložiska
přirozené – druhotné
10. přednáška CYKLUS CHEMICKÝCH PRVKŮ V PŮDĚ
přirozené – primární
aplikace melioračních surovin, hnojiv pesticidy, popílky, kaly, závlahové vody apod. atmosférická depozice
UHLÍK V PŮDĚ Formy výskytu:
CO2 uhličitany organická hmota (stabilní humus i DOM)
Hlavní přirozené zdroje:
Globální bilance C
organismy (OH, CO2) mateční horniny (uhličitany) atmosféra (CO2)
Globální bilance a toky C (109 t) v preindustriálním období (Retallack 2003)
údaje se mírně liší podle literárních pramenů
Množství C v 109 t: Půda Půda Atmosféra Biomasa Oceány Ostatní (org. C) (anorg. C) souše 1.500-1.600 700-1.000 700-760 450-550 38.000 150
1
Oxid uhličitý
Půdní uhličitany Zdroje:
Zdroje:
dýchání organismů, atmosféra
Formy:
plynný v půdním vzduchu rozpuštěný v půdním roztoku
fotosyntéza okyselování půdy (tvorba H2CO3)
kalcit – CaCO3 dolomit – CaMg(CO3)2
Nejbohatší půdy: rendziny a pararendziny černosoly vertisoly šedozemě a hnědozemě Ve světě: kaštanozemě
Význam:
Význam:
Nejběžnější:
primární: mateční horniny sekundární precipitace vápnění depozice
pufrační schopnost zásoba živin (Ca, Mg) sorpce půdotvorné procesy
Formy uhličitanového C ve vodě v závislosti na pH
Pufrační schopnost půdy
Uhlík v organické hmotě Obsahy C v různých ekosystémech
Obsahy (g.m-2) a toky (g.m-2.rok-1) C v lesní půdě (Fahey et al., 2005)
250 200
1 Pg (petagram) = 1015 g
228
150
109
100
26
50
84
Dýchání kořenů
Heterotrofní respirace
Opad
27 9
0 -50 -100
130
149
Jehličnatý les
Listnatý les
Travní porost
182 192 Savana
Tropický prales
Biomasa kořenů 2.190
104
185
Tundra
-150 -200
Celková respirace půdy (660) Celkové zapravení uhlíku
Nadzemní biomasa Půda
Mortalita Tok rhizosférou
Půdní organická hmota 15.740
Vymývání
2
Kritéria hodnocení obsahu OH v půdě v ČR
Obsah OH v půdě Skupina půd
Obsah OH (%)
Tropické půdy (Oxisols, Ferralsols)
1-2
Písčité půdy (Psamments, Arenosols)
<1
Zamokřené půdy (Aquepts, Gleys)
10
Typické prérijní půdy (Mollisols, Chernozems)
5-6
Obsah a kvalita OH v některých půdách ČR Půdní jednotka
HK : FK
Černozem
2,6
2,4
Hnědozem
1,8
1,1
Luvizem
1,7
0,9
Pseudoglej
2,2
0,7
Kambizem eutrofní
2,5
0,7
Kryptopodzol
5,4
0,6
Množství OH z rostlin Vojtěška
Velmi nízký
Obsah humusu (%) <1
Nízký
1-2
Střední
2-3
Vysoký
3-5
Velmi vysoký
>5
Rozložení organického C v půdním profilu
Humus (%)
Plodina
Hodnocení
Bilance C
Suchá hmota rostlinných zbytků (t/ha) 8,2
Jetel luční
5,2
Pšenice ozimá
3,1
Ječmen jarní
2,5
Brambory
0,9
Cukrovka
0,9
3
Změny v různých frakcích půdní organické hmoty ve svrchních 25 cm po kultivaci panenské půdy
Vliv lesní těžby na vývoj obsahu C v lesní půdě a v nadzemní biomase (Jandl et al., 2007)
Vliv klimatu (teploty) na vytváření zásob půdního uhlíku maximum
Vliv klimatu na zásoby půdního C v Evropě
relativní rychlost
produktivita
(Buckman a Brady, 1960) rozklad
maximální SOC zásoba chladné
Obsah organického C ve svrchních půdních horizontech v Evropě
teplota
horké
Sekvestrace uhlíku = snaha dlouhodobě zvýšit obsah organické hmoty v půdě Způsoby:
(Jones et al., 2003)
omezení mineralizace dodávka OH do půdy omezení eroze
Problémy:
nedostatek a ztráty OH pomalý proces přesvědčení společnosti
4
Vytváření zásob půdního uhlíku C vstup = Rozklad
Zásoba půdního uhlíku
Důvody studia koloběhu C v agroekosystémech
C vstup >> Rozklad
Akumulace C během tvorby půdy
Trvalé bezorebné zpracování
Zavedení opatření k sekvestraci C
DUSÍK V PŮDĚ
v půdách běžně 0,25 ( 0,02 - 0,5) %hm.
Formy výskytu:
Střídání tradičního a bezorebného zpracování půdy
Přeměna na ornou půdu
C vstup > Rozklad
Čas (měřítko není proporcionální)
Janzen, 2004
Vliv bezorebného způsobu zpracování půdy (NT – no tillage) na zásobu půdního uhlíku
C vstup << Rozklad
anorganické formy: dusičnanový N – NO3 dusitanový N – NO2 amonný N – NH4+ organické formy (95-99 %) bílkoviny, peptidy, aminokyseliny nukleové kyseliny, chitin, aminosacharidy huminové látky aj.
Conant et al., 2007
Globální bilance N (106 t)
Bilance dusíku v půdě Zdroje:
atmosféra – plynný N
suchá a mokrá depozice hnojiva
fixace blesky
organická – pevná (hnůj) i kapalná (kejda, močůvka) průmyslová – močovina, DA, DAM, SA aj.
minerály – omezeně
Ztráty:
vytěkání NH3, N2 a oxidů N (N2O, NO) odběr rostlinami aj. organismy vyplavení, eroze, smyv
5
Tvorba reaktivního N 106t N.r-1 (1990) (Galloway et al., 2004) Kontinent
Blesky
Biol. fixace
Fosilní paliva
Afrika
1,4
27,7
0,8
Asie
1,2
35,1
5,7
Evropa*
0,1
18,7
6,1
L. Amerika
1,4
31,5
S. Amerika
0,2
Oceánie Celkem
Výroba hnojiv
Import
Vstupy celkem
2,5
1,2
33,6
40,1
13,8
95,9
21,6
9,6
56,1
1,3
3,2
2,5
39,9
17,9
7,3
18,3
5,0
48,7
0,2
7,6
0,4
0,4
0,6
9,2
4,5
138,5
21,6
86,1
32,7
283,4
* včetně zemí bývalého SSSR
Koloběh dusíku
Přeměny dusíku v půdě Fixace molekulárního N
redukce N2 na amoniak
Přeměny dusíku v půdě Mineralizace organické hmoty:
N2 + 8H+ + 6e- (+energie, nitrogenáza) → 2NH3 + H2
biologický proces symbiotické (zejména u bobovitých rostlin) i volně žijící organismy
bakterie (Azotobacter, Clostridium, Rhizobium) aktinomycety (Frankia) sinice (Nostoc, Anabaena)
Nitrifikace:
R-NH2 + 2H2O → NH4+ + R-OH + OH
oxidace amonných forem N
mikroorganismy a extracelulární enzymy opačným procesem je imobilizace N v organické hmotě
Volatilizace amoniaku:
snaha o zvýšení (inokulace aj.)
Přeměny dusíku v půdě
též amonifikace, amonizace uvolnění N z organických vazeb
alkalické půdy, teplo, sucho, provzdušenost NH4+ + OH- → NH3↑ + H2O
Přeměny dusíku v půdě Denitrifikace:
NH4+ → NH2OH → (NOH) → NO → NO2- → NO3-
redukce oxidovaných forem N NO3- → NO2- → (NO) → N2O → N2
sumárně:
NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+
zvýšení mobility N v půdě okyselení prostředí uvolnění plynných oxidů N biologický proces bakterie (Nitrosomonas, Nitrococcus, Nitrobacter)
uvolnění energie v hypo- a anoxických podmínkách nežádoucí
uvolnění N2O do atmosféry ochuzení půdy o využitelný N
biologický proces bakterie (Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium aj.) nerespirační denitrifikace – v AE prostředí, nejasný význam
6
Přeměny dusíku v půdě Asimilační a disimilační redukce
Vývoj forem N v zaplavené půdě NO3-
na
NH4+:
redukce nitrátu pomocí cytoplasmatických enzymů rostlin a mikroorganismů
NO3- → NO2- → (NOH) → NH2OH → NH4+ → glutamát, glutamin aj.
uvolnění energie (např. v anoxických podmínkách) biologický proces AN bakterie (Clostridium, Desulfovibrio, Bacillus aj.)
Fixace NH4+:
poutání ve struktuře jílových minerálů (až 19 mg NH3/kg)
Přeměny N a oxidační stav
Koloběh N v půdě
Koloběh N v půdě
Faktory přeměn dusíku v půdě
zdroje N v půdě
organické anorganické
odběr rostlinami zrnitost půdy provzdušnění půdy vlhkost teplota složení mikroorganismů redox podmínky
7
Využití N z hnojiv
Ztráty dusíku z půdy Hlavní cesty ztráty:
Celkové vstupy N
vymývání (NO3-) denitrifikace → NO2, N2 vytěkání (NH3)
Nadbytečný anorg. N
Příčiny:
Denitrifikovaný N
nadměrné a nevhodné hnojení rozpustné formy hnojiv nízká sorpční kapacita půd pro N mikrobní aktivita vysoká propustnost půd (lehké půdy) vysoké srážky eroze, smyv, vyluhování
N ve stéble
N v zrnu
N z hnojiva
Atmosférické emise a depozice N na počátku 90. let, 106t N.r-1 (Galloway et al., 2004)
Důsledky ztráty živin z půdy
Kontinent
snížení produkce zvýšení nákladů znečištění vzduchu (N) znečištění podzemních a povrchových vod (N, P) eutrofizace vod
Emise NOx
Depozice NOx
Bilance NOx
Afrika
6,8
5,0
-1,9
Asie
10,7
6,5
-4,2
Evropa*
7,9
5,0
-2,9
L. Amerika
5,3
3,1
S. Amerika
8,5
Oceánie Pevnina celkem
Emise NH3
Depozice NHx
Bilance NHx
7,0
5,6
-1,4
22,1
16,1
-6,0
8,0
5,6
-2,4
-2,2
7,8
5,8
-2,1
4,7
-3,8
3,6
3,0
-0,6
1,1
0,5
-0,6
1,0
0,5
-0,5
40,4
24,8
-15,6
49,5
36,5
-13,0
Oceány celkem
4,2
21,0
16,8
5,6
18,3
12,7
Celkem
44,6
45,8
55,1
54,8
* včetně zemí bývalého SSSR
Celkové depozice anorg. N (mg N.m-2r-1) 1860
(Galloway et al., 2004)
Celkové emise v ČR (x1000 t r-1)
0
500
1000
1500
2000
2500
SO2 1980 SO2 1985 SO2 1990 SO2 1993
1990
SO2 1995 SO2 1997 SO2 1999
NOx 1980 NOx 1985 NOx 1990 NOx 1993 NOx 1995 NOx 1997
2050
NOx 1999
8
