Mit humusu i nowe rozumienie materii organicznej gleby

Przez długi czas gleba była postrzegana jako rodzaj „czarnej skrzynki”, w której resztki roślinne ulegają biologicznemu rozkładowi oraz tajemniczej przemianie chemicznej, w wyniku której powstaje humus, jeden z najważniejszych, niemal magicznych składników gleby. Klasyczna teoria humusu, oparta na syntezie chemicznej trudnych do rozkładu substancji organicznych, determinowała sposób myślenia o glebie przez ostatnie dwa stulecia. Jednak badania przeprowadzone w ostatnich dziesięcioleciach podważyły ten pogląd.

Według najnowszych wyników badań naukowych zawartość próchnicy w glebie nie jest substancją stabilną chemicznie w długim okresie, lecz zbiorem stale zmieniających się związków organicznych o różnym stanie. Są to częściowo pozostałości martwych organizmów, a częściowo metabolity mikrobiologiczne, których los zależy w decydującym stopniu od środowiska fizycznego: są one dostępne dla organizmów rozkładających lub zostają zamknięte w powierzchniach mineralnych lub wewnątrz agregatów, gdzie stają się trwalsze.

Ta zmiana podejścia wyznacza zupełnie nowe kierunki w gospodarowaniu glebą: kluczem do zachowania materii organicznej jest jak największe unikanie naruszania gleby, aby chronić jej procesy życiowe i strukturę fizyczną.

Korzenie mikrobiologiczne: gleba jako zewnętrzny układ pokarmowy

Anne Biklé oraz David Montgomery (2016) cytując jego myśli: gleba nie jest samodzielnym organizmem, jednak pod wieloma względami funkcjonuje jak zewnętrzny układ pokarmowy. Mikroorganizmy żyjące w glebie rozbierają i przebudowują substancje organiczne, które w ten sposób stają się składnikami odżywczymi przyswajalnymi przez rośliny.

Ta sama logika mikrobiologiczna działa w jelitach człowieka, wokół korzeni roślin i w glebie: mikroorganizmy pozyskują i przetwarzają związki, które są niezbędne dla ich gospodarzy (ludzi, zwierząt lub roślin). Takie podejście do mikrobiomu rewolucjonizuje nasze wyobrażenie o glebie: obieg substancji organicznych w glebie nie może być oddzielony od metabolizmu organizmów żywych.

Obalenie teorii humusu

Zgodnie z tradycyjnym poglądem trwały humus składa się z wielkocząsteczkowych, stabilnych chemicznie polimerów, które są odporne na rozkład i pozostają w glebie przez wieki. Natomiast Markus Kleber oraz Johannes Lehmann W 2015 r. w czasopiśmie „Nature” ukazał się artykuł „Kontrowersyjny charakter materii organicznej gleby”W swojej pracy zatytułowanej „” wskazali, że nie ma przekonujących dowodów na to, że humusok w takiej formie.

Według autorów, materia organiczna gleby nie jest zbiorem oddzielnych, stabilnych związków chemicznych, ale mieszaniną stale rozkładających się i przekształcających się cząsteczek organicznych. Kluczem do trwałości nie jest odporność chemiczna, ale fizyczna niedostępność materii organicznej dla organizmów rozkładających.

Model ciągłości gleby (Soil Continuum Model)

A Lehmann-Kleber-rodzaj podejścia wyrosło z Model kontinuum gleby, zgodnie z którym nie ma ostrej granicy między świeżym materiałem organicznym, stanami pośrednimi i „humusem”. Materiał organiczny podlega ciągłej przemianie i zawsze zależy od tego, czy mikroorganizmy mają do niego dostęp, czy też pozostaje on odizolowany. Ten sposób myślenia zastępuje poprzedni paradygmat „stabilnego humusu” i przedstawia dynamiczny, sieciowy obraz materii organicznej gleby.

Ochrona fizyczna: gwarancja trwałości materiałów organicznych

Trwałość nie jest więc chemiczną magią, ale fizyczną ochroną. Jennifer Dungait i współpracownicy (2012) potwierdzili w eksperymentach, że losy substancji organicznej zależą przede wszystkim od dostępność dla mikroorganizmów zależy. Można to osiągnąć za pomocą dwóch głównych mechanizmów:

1. Wiązanie mineralne: cząsteczki organiczne adsorbują się na powierzchni minerałów ilastych i tlenków, gdzie są trudniej dostępne dla mikroorganizmów.

2. Zamknięcie w mikroagregatach: drobinki powstające w strukturze gleby fizycznie blokują dostęp organizmom rozkładającym materię organiczną.

To wyjaśnia, dlaczego spulchnianie gleby prowadzi do szybkiej utraty węgla: pług rozbija agregaty, uwalniając chronioną dotychczas materię organiczną, która szybko ulega rozkładowi i przedostaje się do atmosfery w postaci dwutlenku węgla.

System korzeniowy i mikroorganizmy: źródła substancji organicznych

W tworzeniu trwałych substancji organicznych decydującą rolę odgrywają korzenie roślin i wydzieliny korzeniowe. Żywe korzenie nieustannie uwalniają do gleby związki organiczne, które odżywiają społeczności mikroorganizmów. Mikroorganizmy te rozkładają substancje organiczne, a następnie poprzez swoje ciała i metabolity wbudowują się w zasoby substancji organicznych gleby. W praktyce rolniczej oznacza to, że stała obecność żywych korzeni (np. poprzez rośliny okrywowe) nie tylko chroni glebę przed erozją, ale także zapewnia stałe źródło substancji organicznych.

Humus czy materia organiczna?

Wynik badania gleby „zawartość humusu%” pokazuje w rzeczywistości całkowitą zawartość substancji organicznych w danej próbce. W laboratoriach zazwyczaj utlenia się organiczne związki węgla zawarte w glebie za pomocą mieszaniny dichromianu i kwasu siarkowego. Kolor roztworu mierzy się kolorymetrycznie, a na podstawie wyniku określa się zawartość węgla.

Otrzymana wartość jest mnożona przez współczynnik (1,724), który opiera się na założeniu, że liczba ta uwzględnia przybliżony stosunek tlenu, wodoru i innych pierwiastków. Proces ten opiera się zatem na silnym rozkładzie oksydacyjnym, który rozpuszcza wszystkie substancje organiczne – zarówno żywe, jak i martwe.

Dlatego też, gdy na podstawie badań laboratoryjnych mówimy o „zawartości próchnicy”, w rzeczywistości mamy na myśli zawartość materii organicznej w glebie. procentowy udział całkowitej zawartości substancji organicznych doceniamy. Należą do nich pozostałości roślinne i zwierzęce, mikroorganizmy żywa i martwa biomasa, metabolity mikrobiologiczne, a także związki organiczne, które częściowo wiążą się z cząstkami mineralnymi lub stają się chronione w dłuższej perspektywie czasowej w porach agregatów. W związku z tym celowe byłoby traktowanie terminów „humus” i „materia organiczna” jako synonimów i rozszerzenie tego pojęcia na całość żywych i martwych składników organicznych.

Model ciągłości gleby według Lehmanna i Klebera

Mikrobiologiczne pochodzenie substancji organicznych w glebie

Znaczna część materii organicznej gleby, zwłaszcza jej trwałych frakcji, ma pochodzenie mikrobiologiczne. Produkty przemiany materii mikroorganizmów, ściany komórkowe martwych osobników i produkty rozkładu wchłaniają się w długim okresie do matrycy gleby. W ten sposób trwałe substancje organiczne nie pochodzą bezpośrednio z roślin, ale są zachowywane dzięki aktywności mikroorganizmów, odgrywając kluczową rolę w zdolności gleby do magazynowania węgla i jej żyzności (Miltner i in., 2012; Dohnalkova i in., 2017).

Co to wszystko oznacza w praktyce?

Praktyczne przesłanie wynikające z odkryć naukowych jest jednoznaczne:

‑ Należy ograniczyć mieszanie. A metody regeneracyjne i systemy uprawy bezorkowej mają zasadnicze znaczenie.

‑ Należy zapewnić stały system korzeniowy. W okresie wegetacyjnym i poza nim poprzez rośliny okrywowe, zróżnicowany płodozmian, międzyplony i składniki wieloletnie.

‑ Życie gleby należy odżywiać. Pozostawiając resztki łodyg na miejscu, zapewniając stałą pokrywę roślinną, różnorodną roślinność, zapewniając różnorodne produkty fotosyntezy i wydzieliny korzeniowe oraz minimalizując obciążenie chemiczne.

Praktyka Stowarzyszenia Rolników Odnawiających Gleby również pokazuje, że rezygnacja z orki i wspieranie naturalnych procesów dzięki czemu można zachować zasoby materii organicznej gleby i zwiększyć je w perspektywie długoterminowej. Należy jednak pamiętać, że ćwiczeń regeneracyjnych Dzięki temu struktura gleby, jej zdolność zatrzymywania wody i gospodarka składnikami odżywczymi zaczynają się poprawiać znacznie wcześniej, niż zauważymy znaczącą zmianę w zawartości próchnicy. Wyniki badań laboratoryjnych humusu% wskazują całkowitą zawartość substancji organicznych w glebie, ale aby zrozumieć aktualną aktywność biologiczną gleby i szybko dostępne zasoby węgla, warto również zmierzyć zawartość węgla labilnego lub aktywnego (POXC), który szybciej reaguje na poprawę zdrowia gleby (patrz ramka poniżej).

Gleba pokryta stałą roślinnością, żywa i niezmieniona, staje się bogata w humus.

Humus nie jest magicznym, stabilnym chemicznie materiałem, ale wspólnym produktem życia i fizycznej struktury gleby. Do powstania trwałej materii organicznej niezbędna jest aktywność mikrobiologiczna i ochrona fizyczna. To odkrycie otwiera nową drogę w gospodarowaniu glebą: zamiast próbować „budować humus” za pomocą zewnętrznych środków, należy utrzymywać życie gleby, chronić jej nienaruszoną strukturę i zapewnić ciągłość systemu korzeniowego. Żywa roślinność jest bowiem w stanie wytwarzać substancje organiczne, które odżywiają życie gleby, a które ostatecznie tworzą znaczną część trwałego humusu.

Postępując zgodnie z powyższymi zasadami, nie tylko zachowujemy zawartość substancji organicznych w naszych glebach, ale także w dłuższej perspektywie poprawiamy wartość odżywczą naszych produktów spożywczych i przyczyniamy się do łagodzenia zmian klimatycznych.

Produkty przemiany materii mikroorganizmów, ściany komórkowe martwych osobników i produkty rozkładu w długiej perspektywie czasowej wbudowują się w matrycę gleby.

Węgiel aktywny – „szybkoobrotowa” substancja organiczna gleby

Węgiel aktywny, znany również jako węgiel utlenialny permanganatem (POXC), oznacza łatwo dostępną, aktywną mikrobiologicznie frakcję węgla w glebie, która szybko reaguje na działania związane z gospodarką glebową. Pojęcie to zostało wprowadzone w 2003 r. przez Raya R. Weila i jego współpracowników, którzy zaproponowali prostą i czułą metodę laboratoryjną i terenową do wykrywania aktywnego węgla.

Istotą pomiaru jest poddanie próbki gleby krótkotrwałej (ok. 2 minuty) łagodnej utlenianiu dichromianem lub nadmanganianem, a następnie pomiar spadku intensywności barwy nadmanganianu za pomocą spektrofotometru. Proces ten powoduje reakcję tylko najłatwiej utlenialnych, niestabilnych form węgla – należą do nich świeże resztki roślinne, wydzieliny korzeniowe i metabolity mikrobiologiczne, które stanowią bezpośrednie źródło energii i składników odżywczych dla mikroorganizmów glebowych.

Węgiel aktywny jest zatem „walutą szybkiego obrotu” gleby: jego ilość szybko odzwierciedla wpływ praktyk rolniczych, takich jak uprawa, stosowanie roślin okrywowych lub uzupełnianie materii organicznej. Jest bardziej skorelowany z aktywnością mikrobiologiczną, oddychaniem gleby i stabilnością agregatów niż całkowita zawartość materii organicznej, dzięki czemu stanowi idealny wskaźnik do codziennego monitorowania stanu gleby.

Referencje

Lehmann, J. i Kleber, M. (2015). Kontrowersyjny charakter materii organicznej gleby. Nature, 528, 60–68.

Dungait, J. A. J., Hopkins, D. W., Gregory, A. S. i Whitmore, A. P. (2012). Obroty materii organicznej gleby zależą od jej dostępności, a nie oporności. Global Change Biology, 18(6), 1781–1796.

Montgomery, D. R., & Biklé, A. (2016). Ukryta połowa natury: mikrobiologiczne korzenie życia i zdrowia. W. W. Norton & Company.

Weil, R. R., Islam, K. R., Stine, M. A., Gruver, J. B. i Samson-Liebig, S. E. (2003). Oszacowanie zawartości węgla aktywnego do oceny jakości gleby: uproszczona metoda do stosowania w laboratorium i w terenie. American Journal of Alternative Agriculture, 18(1), 3–17. https://doi.org/10.1079/AJAA200228

Miltner, A., Bombach, P., Schmidt‑Brücken, B., & Kästner, M. (2012). SOM genesis: Microbial biomass as a significant source. Biogeochemistry, 111(1–3), 41–55. https://doi.org/10.1007/s10533-012-9762-4

Dohnalkova, A. C., Tfaily, M. M., Smith, A. P., Chu, R. K., Crump, A. R., Brislawn, C. J., Varga, T., Shi, Z., Thomashow, L. S., Harsh, J. B. i Keller, C. K. (2017).

Molekularne i mikroskopowe spojrzenie na powstawanie materii organicznej gleby w ryzosferze sosny czerwonej. Gleby, 1(1), 4. https://doi.org/10.3390/soils1010004

Weil, R. R., Islam, K. R., Stine, M. A., Gruver, J. B. i Samson-Liebig, S. E. (2003). Oszacowanie zawartości węgla aktywnego do oceny jakości gleby: uproszczona metoda do stosowania w laboratorium i w terenie. Soil Science Society of America Journal, 67(3), 968–979. https://doi.org/10.2136/sssaj2003.9680ResearchGate

AUTOR: VÍG VITÁLIA • EKOLOG GLEBY, ODPOWIEDZIALNA ZA PROGRAMY EDUKACYJNE STOWARZYSZENIA ROLNIKÓW ODNOWIAJĄCYCH GLEBĘ, ZAŁOŻYCIELKA TERRAVITKA
Zdjęcia: shutterstock.com