Humus - půda - rostlina (3) Humus a rostlina: Rozpustné humusové látky v ekosystému

3.1. Ekologická charakteristika humusových látek

Přeměny organické hmoty v půdě ve smyslu destrukce i nové syntézy představují dynamický faktor půdní úrodnosti. V biochemických procesech se vytváří živný humus a postupně vznikají i různé předstupně humusových látek. Nestálé formy živného humusu významně přispívají k formování prostředí růstu rostlin, jsou nezbytné pro biologickou činnost půd, avšak do metabolických procesů v rostlinách nezasahují. Rostlinný metabolismus ovlivňují relativně stálé humusové sloučeniny, které jsou dalším produktem humifikace, vyskytují se především v půdním roztoku a tvoří významnou součást kořenového media rostlin. Označujeme je obecně jako humusové látky a z hlediska klasifikace humusu je řadíme do kategorie humusu stálého.

Humusové látky jsou široce rozšířeny po celém zemském povrchu a tvoří přirozenou součást všech suchozemských i vodních ekosystémů, v nichž se podílejí na ustavování a udržování ekologické rovnováhy mezi rostlinou a jejím vnějším prostředím. Běžně se vyskytují v přírodních i kulturních půdách a na některých místech zemského povrchu se koncentrují v humusových zeminách a v různých druzích uhlí. Tvoří základní součást rašelin a slatin, jsou obsaženy v lignitech a hnědém uhlí, zejména v uhlí mladém a v některých doprovodných zeminách uhelných slojí. Cennými zdroji humusových látek jsou zejména oxihumolity, v našich uhelných revírech označované jako kapucíny, v zahraničí známé většinou pod názvem leonardit. Ve významném množství se humusové látky vyskytují též v pobřežních mořských sedimentech. Tyto přírodní suroviny jsou vhodné pro extrakci humusových látek a výrobu různých preparátů, většinou se však nehodí k přímé aplikaci na půdu a rostliny.

Humusové látky vznikají v procesu humifikace převážně v rozpustné formě a v prostředí se vyskytují v relativně nízkých koncentracích. Pro humusové látky je typické, že se vliv na metabolismus rostlin projeví již při jejich velmi nízké koncentraci v půdním roztoku. Zvýšení koncentrace humusových látek přinese zvýšený efekt na rostliny jen tehdy, zvýší-li se současně úroveň i dalších vnějších faktorů, například minerálních živin nebo slunečního svitu. V literatuře se obvykle rozlišují dvě základní skupiny humusových látek, a sice fulvokyseliny a huminové kyseliny. Obě skupiny se však liší jen málo, pouze stupněm kondenzace a polymerace, molekulovou hmotností a barvou. Fulvokyseliny jsou látky nižší molekulové hmotnosti a žluté barvy, huminové kyseliny vykazují naproti tomu vyšší stupeň kondenzace i polymerace i vyšší molekulovou hmotnost a jejich barva se mění od hnědé po šedou. Fulvokyseliny i jejich soli fulváty jsou dobře rozpustné ve vodě a snadno vytvářejí rozpustné komplexy s vícemocnými kationty, snadno se též vymývají z půdního profilu. Co se týče jejich vlivu na rostliny, v laboratorních podmínkách byl v akvakulturách zjišťován vysoký stimulační efekt, často převyšující i efekty huminových kyselin a jejich solí. V půdních podmínkách však bylo provedeno experimentů málo a stimulační efekt fulvokyselin se obvykle nepotvrdil. Problematika fulvokyselin ve vztahu k rostlinám však byla studována nedostatečně a bylo by žádoucí dosavadní poznatky prohloubit seriózním výzkumem. Můžeme předpokládat, že fulvokyseliny mohou sehrát významnější roli v ekosystémech akvatických než terrestických.

Huminové kyseliny jsou v běžných půdních podmínkách pevně vázány na minerální podíl půdy a jsou ve vodě nerozpustné. V tomto stavu jsou ovšem fyziologicky neúčinné. Laboratorně lze sice opakovanou hydrolýzou a důslednou demineralizací vzorků připravit huminovou kyselinu v rozpustném stavu, po aplikaci do půdy se však znovu váže na minerální podíl půdy a stává se opět nerozpustnou. Experimenty s aplikací rozpustné huminové kyseliny na rostliny v modelových podmínkách bez půdy však také nevyzněly jednoznačně. Prakticky významné a fyziologicky účinné jsou vodorozpustné soli huminové kyseliny, tedy alkalické nebo amonné humáty. Jejich význam spočívá především v přímém ovlivnění rostlinného metabolismu. Rozpustné humáty předávají rostlině energii, kterou rostlinný organismus dovede využívat k různým metabolickým procesům. V přítomnosti těchto látek rostlina efektivněji využívá podmínek prostředí, především minerálních živin. Ve většině testovaných případů bylo zjištěno, že se vlivem humátů zvyšuje příjmová kapacita rostliny pro minerální ionty. Rostlina také lépe odolává nepříznivým vnějším vlivům a vytváří i více biomasy, což v praxi znamená vyšší výnos. Přímému fyziologickému působení humátů na rostliny se podrobně věnuje velká část této publikace.

Humusové látky se podílejí na zlepšení podmínek výživy rostlin i tím, že se zúčastňují chelatizace prvků biologického významu. Tvoří chelátové vazby s mědí, železem i dalšími kovy a optimalizují tak podmínky výživy rostlin stopovými prvky. Kovové kationty se mohou na humáty vázat i povrchově a jejich prostřednictvím se pak mohou vytvářet komplexy, v nichž je molekula humátu přes kov vázána například s aniontem fosfátu. Tyto vazby zabraňují vzniku nerozpustných sloučenin fosforu a zlepšují tak přijatelnost fosfátů pro rostliny. Je starou zkušeností zemědělců, že organická hmota chrání fosfor v půdě před tzv. „zvrháváním“ a tím je zdůvodněno míšení fosforečných hnojiv do chlévské mrvy nebo do kompostů. Schopnost rozpustných humátů vytvářet komplexy s vícemocnými kationty je však omezená. Při nadbytku kationtů v prostředí dochází k vysrážení humátů a tím je anulována jejich fyziologická účinnost a zároveň je blokován příjem vícemocných kationtů rostlinami. Pokud jsou však takto pevně vázány těžké kovy a další xenobiotické látky, mluvíme o detoxikačním působení humátů. Experimentální zkušenosti v tomto směru byly získány mimo jiné i na půdách devastovaných radioaktivním caesiem v důsledku havárie v Černobylu. Z tohoto pohledu můžeme rozpustným humusovým látkám přiznat i značný význam enviromentální.

Z hlediska ekologických vztahů mezi půdou a rostlinou jsou mimořádně cenné humáty vápenaté. Dvojvazný kationt vápníku spojuje mezi sebou jednotlivé molekuly humátu do větších shluků, které označujeme jako micely. Samozřejmě se tím ruší rozpustnost humátů, vytváří se však tixotropní hmota, která samovolně přechází ze stavu sol do stavu gel. Micely humátu vápenatého jsou následně opět prostřednictvím vápníku vázány na povrch půdních jílových minerálů. Vzniká tak humusojílovitý sorpční komplex, který má pozitivní vliv na strukturní stav půdy a na další vlastnosti podmiňující půdní úrodnost ale zároveň se vytváří rezervoár minerálních iontů, vázaných na povrchu komplexu. Kořenový systém rostlin v půdním roztoku může výměnným způsobem snadno přijímat potřebné živiny.

Všechny uvedené údaje přes svou stručnost dovolují udělat si celkem dobrou představu o systémovém působení humusových látek na rostliny. Základem ekologických vztahů mezi půdním humusem a rostlinou jsou jednoznačně rozpustné alkalické nebo amonné humáty. Vedle toho, že přímo ovlivňují fyziologické procesy v rostlinách, zlepšují též výživu rostlin fosforem a stopovými prvky a zároveň chrání rostliny před toxickými vlivy prostředí. Působením vápníku na rozpustné humáty vzniká tixotropní gel humátu vápenatého, který zejména ve spojení s jílovými minerály významně zlepšuje půdní prostředí růstu rostlin a v kořenovém mediu ovlivňuje především sorpční a iontovýměnné vlastnosti půdy.

3.2 Mechanizmy regulace koncentrace rozpustných humátů v půdním roztoku

Rozpustné formy humátů jsou pro většinu půd obvykle považovány za látky značně nestálé, jejichž koncentrace v půdním roztoku je velmi nízká a zřejmě i proměnlivá v čase. Jejich fyziologická účinnost může být omezená vysrážením s vícemocnými kationty, případně se v rozpustném stavu jako fulvokyseliny vyplavují do spodních vrstev půdy mimo dosah kořenů rostlin. Tato úvaha je v celku logická a vyvrátit ji nebo potvrdit může pouze experiment. Vytýčili jsme si proto úkol stanovit množství vodorozpustných humusových látek v půdě . Postupovali jsme tak, že jsme půdní vzorky, odebrané z různých lokalit, extrahovali vodou a získané roztoky humátů jsme vyšetřovali kolorimetricky a naměřené hodnoty porovnali s kalibrační křivkou, sestrojenou na základě rozpuštění technického Na – humátu ve vodě.

Abychom dostali koncentraci humátů, která by byla popsaným způsobem měřitelná, museli jsme k extrakci půdních vzorků použít nadbytek vody, konkrétně 500 ml na 1 kg půdy. Tímto postupem bylo získáno maximální množství humátů, které mohou být převedeny do půdního roztoku. V přirozených půdních podmínkách bude množství rozpuštěných humátů výrazně nižší v závislosti na obsahu vody v půdě. Ve vyšetřovaných vzorcích orných i lužních půd odebíraných do hloubky 20 cm se množství rozpustných humátů příliš nelišilo a pohybovalo se na úrovni 4 kg /ha. Nelišily se ani vzorky půdy ze stanovišť dlouhodobě minerálně a organicky nehnojených a z pozemků běžně provozním způsobem hnojených. Vyšší množství rozpustných humátů bylo zjištěno na orných i lučních půdách intenzivně obhospodařovaných, dlouhodobě pravidelně vyhnojovaných dávkami 500 kg č.ž. NPK na 1 ha. Nápadným zvýšením množství rozpustných humátů až na úroveň 16 kg /ha se projevila několikaletá aplikace humusového preparátu.

Z dosažených výsledků usuzujeme, že:

1. existuje určitý vztah mezi množstvím minerálních iontů a rozpustných humátů v půdním prostředí
2. rozpustné humáty alikované dopůdy se příliš snadno neztrácejí ani vyplavováním do spodních vrstev půdy, ani vysrážením s vícemocnými kationty

Je tedy nutné opravit názory, podle kterých rozpustné humáty představují přechodnou a labilní formu humusových látek. Naopak rozpustné humusové látky považujeme za přirozenou součást půdního roztoku a tedy kořenového media rostlin. Výsledky této práce zároveň vyvolaly otázku, jaký je to regulační mechanismus, který udržuje přiměřené množství humusových látek v rozpustném stavu. Na tuto otázku jsme hledali odpověď v další naši práci.
Vycházeli jsme z představy, že přírodní aktivátor rozpouštění humátů musí působit ve velmi nízkých koncentracích a nesmí měnit fyzikálně – chemické vlastnosti půdního prostředí,zejména nemůže ovlivňovat pH půdního roztoku. Na základě fenomenologické analýzy a některých předběžných pokusů byly k tomuto účelu vytipovány roztoky alkalických křemičitanů. K řešení této problematiky byly použity dva půdní vzorky a vzorek technického humátu vápenatého, na něž byly aplikovány roztoky alkalických křemičitanů o velmi nízké koncentraci. Kolorimetrickou metodou bylo měřeno množství rozpustných humusových látek, které přešly do roztoku z půdy iz humátu vápenatého. Zároveň byla měřena hodnota pH roztoku. Nejnižší použitá koncentrace představovala 10-7 g křemičitanu v 1 cm³ roztoku.

Ačkoliv toto množství vůbec neovlivnilo pH roztoku, převedlo ze zkoumaných vzorků do rozpustného stavu řádově 10-4 g / cm³ humusových látek. Přepočteme-li použití alkalických křemičitanů na množství vody v půdě, dojdeme k přibližné úrovni 10 g křemičitanového aktivátoru na 100 tun půdního roztoku. To je množství, které se může v půdě běžně vyskytovat. Alkalické křemičitany představují koloidní minerální složku půdního roztoku, do něhož se v minimálním množství mohou uvolňovat zvětráváním nebo bobtnáním jílových minerálů. Na základě získaných výsledků můžeme již dost přesně definovat regulační mechanismy, na nichž závisí udržování koncentrace rozpustných humátů v půdním roztoku. Jednak je to reakce s vícemocnými kationty, převážně s vápníkem, která rozpustné humusové látky převádí na formy nerozpustné. Druhým mechanismem je konverze nerozpustných humátů na formy rozpustné, vyvolaná působením alkalických křemičitanů. Tímto způsobem je možné vysvětlit poměrně stálé koncentrace rozpustných humátů v různých půdních podmínkách, jak je zjistila předchozí práce. Ukázalo se také, že proces přeměn humusových látek v půdě má charakter cyklický, nikoliv jednosměrný, jak se předpokládalo. Zároveň byl vysloven předpoklad, že vodorozpustné humusové látky se v půdním roztoku nacházejí převážně ve formě huminosilikátových komplexů.

Následně byly laboratorně připraveny modely huminosilikátových komplexů s různými poměry mezi humátovou a křemičitanovou složkou. Některé z nich byly v laboratorních podmínkách testovány na rychlost srážení v přítomnosti vícemocných kationtů a porovnávány v těchto charakteristikách s vodorozpustnými humáty, získanými extrakcí alkáliemi z humusových surovin bez použití křemičitanů. Výsledky těchto laboratorních testů jednoznačně prokázaly, že komplexní látky jsou ve srovnání s volnými humáty odolnější vůči koagulaci působením vícemocných kationtů. Při zkoušení huminosilikátového komplexu bylo ke srážení humusových látek nutno dodat nejméně o 10% více příslušné minerální soli, než u volných humátů. To znamená, že alkalické silikáty sehrávají roli ochranného minerálního koloidu proti vypadávání humusových látek z roztoku.

Modelově připravené huminosilikátové komplexy s různými poměry humátové a silikátové složky byly zkoumány též pod rastrovacím elektronovým mikroskopem při 2,5 tisícinásobném zvětšení. Z technických důvodů musely být vzorky humusových látek před mikroskopickým pozorováním vysušeny, což mohlo v jejich struktuře vyvolat určité změny. Přes tyto objektivní potíže dovoluje studium získaných snímků vyslovit určitou hypotézu o vztazích mezi oběma složkami komplexu. Podle této naší hypotézy silikátová složka komplexu vytváří hrubou kostru, která se postupně mění v prostorovou mříž, jejíž výplní jsou jemně strukturované humusové látky. Taková struktura humusosilikátových komplexů by mohla vysvětlovat i jejich zvýšenou odolnost vůči srážení vícemocnými kationty a tedy jejich vyšší stabilitu v roztoku.

Problematika vzájemných vztahů mezi rozpustnými křemičitany a rozpustnými humáty byla ověřována i v půdních podmínkách ve vztahu k rostlinám. Na toto téma byla v letech 1976 – 1980 uvedena série 12ti polních pokusů s kukuřicí jako testovací plodinou. Na třech různých stanovištích byly vedeny exaktní pokusy, v nichž byla kontrolní minerálně hnojená varianta s 200 kg č.ž./ha porovnávána se stejně hnojenou kombinací, na níž byl navíc aplikován roztok křemičitanu sodného v dávce 10 l/ha. Alkalický křemičitan byl použit v obchodním výrobku známém jako sodné vodní sklo.

Jednotlivé lokality, kde pokusy probíhaly, se lišily půdními podmínkami. V Olomouci byl pokusný pozemek situován na středně těžké půdě nivního typu, v Roudnici nad Labem se jednalo o lehkou hnědozem a v Uherském Hradišti o hnědozem středně těžkou.

Na každém stanovišti byly pokusy vedeny po 4 roky, celkem bylo po 3 roky vyhodnocováno 12 pokusů, jejichž průměrné výsledky jsou uvedeny v tabulce.

Průměrné 4leté výsledky aplikace Na - křemičitanu ke kukuřici na siláž v tunách sušiny na hektar

Lokalita	NPK	NPK + Na – křem.	Relativní % kontroly
Olomouc	10,70	12,03	112,4
Roudnice n/L	12,54	12,74	101,6
Uh. Hradiště	8,01	9,61	120,0
Průměr všech pokusů	10,42	11,46 x	110,0

Z jednotlivých 12-ti pokusů byl pozitivní výnosový efekt křemičitanu zjištěn v deseti případech, ve dvou zůstal výnos na úrovni kontroly. Podle pořadového znaménkového testu je tento výsledek statisticky významný při 5%-ní významnosti.

Kromě výnosového hodnocení byla v jednotlivých pokusech zjišťována akumulace minerálních živin v sušině rostlin. Na kombinaci s křemičitanem nahromadila kukuřice o proti kontrole více dusíku o 9 – 29%, fosforu o 8 – 24% a dusíku o 40% více. Pozitivní výsledky s použitím křemičitanu dáváme do souvislosti s jeho výše popsanou funkcí aktivátoru rozpustnosti humusových látek. Působením alkalického křemičitanu se zvýší koncentrace rozpustných humátů v půdním roztoku a důsledkem je pak vyšší výnos testované plodiny, tak i vyšší akumulace živin v sušině rostlin. Výsledky polních pokusů hodnotíme jako praktické potvrzení našich výše uvedených teoreticky zaměřených prací o vztazích mezi alkalickými silikáty a humusovými látkami. Tyto pokusy však neřešily otázku možné praktické aplikace rozpustných silikátů v polních podmínkách. Závěry tohoto druhu nelze z provedených polních pokusů vyvozovat.

Literatura ke kapitole 3.

1. ČERNÝ J., VRBA V.: Vliv alkalických křemičitanů na rozpustnost půdního humusu, Rostlinná výroba, 28, 3, 1982
2. VRBA V., ČERNÝ J.: Stanovení koncentrace rozpustných humusových látek v půdních vzorcích, Rostlinná výroba, 1981

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost