Organická hmota v půdě, její obsah, složky a význam

05. 11. 2019 Ing. Jindřich Černý, Ph.D. a kol. Hnojení Zobrazeno 22233x

V tomto příspěvku se budeme zabývat problematikou půdní organické hmoty. Přestože je v půdě v poměrně malém zastoupení, jej význam je značný, a to nejen pro půdu, ale také pro ostatní složky agroekosystémů a životního prostředí. V posledních letech se význam půdní organické hmoty stále častěji zmiňuje v různých médiích a „odborných“ sděleních, avšak často jsou její jednotlivé složky nesprávně pojmenovávány nebo není dostatečně vysvětlen jejich význam.

Krátký pohled do historie

Význam organické části půdy byl znám již v dávné minulosti. Organická hmota úzce souvisí s půdní úrodností, půdními vlastnostmi. To si uvědomovali generace hospodářů při pěstování rostlin. Již ve středověku, kdy byl nedostatek experimentálních údajů, byly mnohé skutečnosti odvozeny od sledování, přičemž někteří starověcí myslitelé se často přiblížili správné podstatě chemických jevů. Starověká civilizace, zvláště řecká, kam je kladena i kolébka vzdělanosti, měla několik jasnozřivých filozofů, kteří se čistou spekulací v mnohém přiblížili pravdě. Například Démokritos z Abdér (asi 460–370 př. n. 1.), již předpokládal existenci atomů a jejich neustálý pohyb. Atomovou teorii rozvinul nejlepší následovník Demokritův - Epikúros. Jeho učení objasnil latinský básník Titus Lucretius Carus (97–55 př. n. 1.) v díle De rerum natura (O přirozenosti věcí), kde tvrdí, že příroda se řídí odvěkými zákony, kde vše vzniká, trvá a zaniká. Cit: „Matka země oplodňována deštěm rodí obilí, potravu člověka a zvířat. Ale vše, co pochází ze země, musí se do ní vrátit a vše, co pochází ze vzduchu, musí se zas do něho vrátit. Smrt nezničí hmotu, pouze rozlomí vazbu elementů ji tvořících, které vytvoří pak znovu nové formy.“

Bohužel tyto směry, ukazující správnou cestu k poznání, ztroskotaly, hlavně o autoritu Aristotelovu (384–322 př. n. l.), který tvrdil, že rostliny nemají výměnu látkovou a látky, které potřebují ke svému životu, jsou již hotové v půdě.

V tomto duchu se nesla ještě humusová teorie, která vycházela z představ vyznavačů Aristotela. Její autor a hlavní propagátor Albrecht Daniel von Thaer (1752–1828) ve svém proslulém díle Grundsätze der rationellen Landwirtschaft (Principy racionálního zemědělství) hlásal, že: „úrodnost půdy závisí zcela na obsahu humusu v půdě, neboť humus je mimo vodu jedinou půdní látkou, která může být považována za zdroj rostlinné výživy“. Minerálním látkám připisovala humusová teorie jen funkci jakéhosi „koření“ dráždícího přijímání humusu. Tento názor byl v Evropě značně rozšířený a měl řadu zastánců.

Ovšem již mnozí žáci a spolupracovníci Thaera, např. C. Spengler (1787–1859), při studiu humusu začali zpochybňovat jeho přímou úlohu ve výživě rostlin a poukazovali na podstatu minerální výživy rostlin, která byla potvrzena v dílech Justus von Liebiga (1803–1873). Přestože humusová teorie neměla správný základ, ve svých důsledcích působila příznivě, protože soustředila pozornost na používání organických hnojiv, čímž se značně zlepšila půdní úrodnost a zvýšila úroveň celého zemědělství. Je však smutné, že v současné době, kdy je dostatek nových poznatků o úloze jednotlivých složek organické hmoty v půdě, se stále setkáváme v mnoha sděleních „odborníků“ s tím, že současní pěstitelé půdu jen devastují a snižují obsah „humusu“ v půdě. Zejména v posledních suchých letech se tyto názory objevují stále častěji.

Obsah organické hmoty v půdě

Organická část půdy tvoří ve většině běžných zemědělských půd (minerálních půd) jen malý podíl celkové hmotnosti pevné fáze půdy (nejčastěji 1–5 %). Zbytek představuje minerální podíl, který vznikl z původní matečné horniny. Organická hmota v půdě, i přes malý obsah, významně ovlivňuje řadu jejich vlastností.

Základním prvkem půdní organické hmoty je uhlík (C) a se stanovením jeho obsahu je často spojováno stanovení obsahu půdní organické hmoty. Jak uvedeme dále, jenom obsah uhlíku však není dostačující pro hodnocení půdní organické hmoty neboť je také důležitá kvalita (forma, typ…) organických látek.

Rozdělení složek půdní organické hmoty

Ještě v první polovině minulého století byly za humus označovány veškeré organické látky v půdě, přičemž podle povahy byl rozdělován na „humus živný“, tedy organickou hmotu podléhající v půdě rozkladu a sloužící k obživě půdních mikro- i makroorganizmům, a také rostlin, které využívají uvolněné živiny z rozložené organické hmoty. Druhou skupinu pak představoval „humus pravý (trvalý)“, což jsou především stabilní organické látky v půdě. S touto terminologií, pokud se ještě opisuje ze starých pramenů do nových publikací, se občas ještě můžeme setkat.

Věda však pokročila, byly vyvinuty nové diagnostické postupy pro stanovení organické hmoty v půdě a klasifikaci jejích jednotlivých skupin. Tomu byla také uzpůsobena terminologie a již od druhé poloviny minulého století jsou používány termíny, které lépe vystihují jednotlivé složky půdní organické hmoty. Abychom pochopili význam organické části půd, je nutné vymezit základní pojmy, formy organické hmoty, upřesnit poslání jednotlivých složek a jejich změny, které v půdách probíhají.

Organická část půdy je tvořena živou částí a neživou částí (schéma). Obě složky jsou významné, vzájemně se podmiňují, jsou na sobě závislé a ve svých důsledcích působí na celkovou biologii půdy, mineralizační a imobilizační procesy, včetně transformace organických látek na složité a stabilní sloučeniny v půdě.

Za nejaktivnější skupinu živé části půdy lze považovat mikroedafon (bakterie, houby, aktinomycety, sinice aj.), který se podílí na většině rozkladných, ale i jiných transformačních procesů. V živé části organického podílu půd mají také významné postavení rostliny. Svým kořenovým systémem, jeho utvářením, mohutností a prokořeněním půdního profilu značně ovlivňují biologické i chemické procesy v období vegetace. Nesporný je vliv kořenových exudátů a komplexní působení rhizosféry, tj. prostředí v těsném okolí kořenů (cca do 5 mm od kořene). Popsat problematiku živé části půdní organické hmoty by bylo na několik článků. Hlavním tématem tohoto příspěvku je popis neživé části organických látek v půdě.

Neživé části organických látek

Současné rozdělení neživé části organických látek je do dvou základních skupin:

1) primární organická hmota,

2) humusové látky.

Je třeba si uvědomit toto základní dělení, protože tyto dvě skupiny mají naprosto rozdílné poslání a uplatnění v půdách a nelze je zaměňovat nebo dokonce zahrnovat do jedné skupiny. Vždy je nutné rozlišovat, jestli se jedná o primární organickou hmotu, či o „humus“, což činí i značné problémy při uvádění charakteristik půd, protože pokud není upřesněno, o jakou část se jedná, případně není uvedena metoda stanovení, tak uváděné údaje poskytují jen obecnou charakteristiku, která má malou vypovídací schopnost. Často se setkáváme s otázkou, která frakce má větší význam? Primární organická hmota nebo humus? Obě jsou důležité, ale jejich funkce v půdě jsou značně rozdílné.

Primární organická hmota

Primární organickou hmotu tvoří zejména odumřelé (neživé) části rostlin a půdní mikroflory, které se nacházejí v půdě nebo se do půdy dostávají zapravením zbytků rostlin nebo aplikací organických hnojiv (viz dále). Primární organická hmota představuje velmi pestrou a různorodou paletu látek, které přicházejí do půdy. Primární organická hmota v půdě podléhá mineralizaci (rozkladu mikroorganizmy), přičemž rychlost rozkladu je ovlivněna půdními podmínkami (teplota, vlhkost, provzdušnění, pH apod.), a také vlastnostmi (složením) jednotlivých komponentů primární organické hmoty, neboť se jedná se o různě reaktivní složky (tab. 1).

Hlavní zdroje primární organické hmoty jsou především kořeny rostlin, kořenové exudáty, mikroorganizmy a makroedafon, opad a zbytky nadzemních částí rostlin, organická hnojiva. Do primární organické hmoty se také řadí i meziprodukty rozkladu původní organické hmoty.

Primární organická hmota je často označována za dynamickou část organické hmoty v půdě, která může vykazovat kolísání obsahu podle přísunu organických látek do půdy a průběhu mikrobiálních procesů. Takže pokud se mění obsah organických látek v půdě, tak je to právě tato část.

Jak bylo uvedeno, většina dodané půdní organické hmoty je mineralizovaná a pouze malá část zůstává v půdě a tvoří složky pro utváření humusových látek. Mineralizace je v podstatě pomalé spalování a produktem jsou oxid uhličitý a minerální živiny. Je to proces, při kterém se uvolňuje energie (exotermický), přičemž většina energie se vyzáří a jen část se spotřebuje na humifikaci. Obecně lze konstatovat, že v půdách mineralizace vždy mnohonásobně převyšuje humifikaci. To platí zejména v půdách nižších poloh, kde jsou vhodnější podmínky pro mikroorganizmy, a proto je větší část půdní organické hmoty mineralizována. V těchto půdách jsou ale i vhodné podmínky pro humifikaci, a tak může být a část organických látek transformována na humusové látky (viz dále).

Se stoupající nadmořskou výškou se snižuje mineralizace půdní organické hmoty i humifikace a organická hmota se v půdě hromadí. Ve vlhkých, studených a kyselých půdách může primární organická hmota mineralizovat jen nepatrně a humifikovat nemusí vůbec. V těchto podmínkách se pak kořínky, opad listů i ostatní posklizňové zbytky v půdě hromadí. A jelikož při nízkém pH se zvyšuje mobilita železa a hliníku, je tato primární organická hmota během doby je prosycena koloidním roztokem sloučenin železa a hliníku a ztrácí schopnost sloužit jako zdroj energie pro půdní mikroorganizmy trvale. Taková hmota se nazývá „mumifikovaná půdní organická hmota“. V podstatě neslouží ani jako zdroj živin, nepoutá živiny, ani neovlivňuje výrazněji fyzikální vlastnosti půd.

Je proto důležité do určitých půdních podmínek volit vhodný zdroj primární organické hmoty. Někde může hospodaření s organickou hmotou zlepšit využití zeleného hnojení, zaorání slámy, ale někde musíme dodávat již organické látky částečně humifikované v podobě hnoje nebo kompostu. Mylné jsou proto představy, že dodáváním pouze rostlinné hmoty zvýšíme obsah humusu. To je proces velice dlouhodobý. Naopak při podmínkách, které podpoří rychlou mineralizaci, můžeme půdě „uškodit“. Například zaorávka slámy s vysokým obsahem rychle rozložitelné celulózy může podpořit rozklad již transformovaných semistabilních organických látek.

Tab. 1: Stabilita nejvýznamnějších složek primární organické hmoty v půdě

Význam primární organické hmoty

Z výše uvedených údajů bychom mohli zklamaně usoudit, že primární organická hmota moc velký význam v půdě tedy nemá. Naopak. Významů primární organické hmoty je mnoho. Z těch nejdůležitějších vybíráme následující:

Jak již bylo uvedeno, primární organická hmota slouží jako zdroj živin pro půdní mikroflóru. Tím se zvyšuje nejen aktivita, ale i početnost a druhové zastoupení „užitečné“ půdní mikroflóry a naopak mohou ubývat nežádoucí patogenní mikroorganizmy, což potvrzují mnohé studie. Mikroorganizmy také napomáhají rozkladu některých organických polutantů a pomáhají detoxikaci půdy. Mnohé studie potvrzují zvýšení přístupnosti živin (např. P, Fe, N aj.) vyšší aktivitou mikroorganizmů.

Primární organická hmota je po mineralizaci také zdrojem živin pro rostliny. Pochopitelně, s ohledem na uvedené podmínky ovlivňující procesy mineralizace (teplota, vlhkost apod.) nelze uvolňování živin „naplánovat“, ale je důležité v bilancích živin s tímto zdrojem počítat. Než dojde k uvolnění živin, umožňuje primární organická hmota jejich zadržování v půdě biologickou sorpcí, čímž brání vyplavení mobilnějších živin (například N-NO₃^-; S-SO₄^-).

Oxid uhličitý (CO₂) uvolněný mineralizací zvyšuje v půdě rozpustnost některých sloučenin, a tím přispívá k uvolnění živin pro rostliny. V této souvislosti však také může negativně snižovat pH půdy (okyselovat), rozpouštěním uhličitanů a zvyšováním mobility vápníku. Významné je ale působení oxidu uhličitého v přízemních vrstvách, kde ho následně využívají pěstované rostliny jako zdroj uhlíku. (V této souvislosti si dovolíme připomenout, že uhlík rostlinami není přijímán z půdy, ale z atmosféry v podobě CO₂. Rozklad primární organické hmoty pak může být považován jako nepřímé „hnojení“ uhlíkem).

Primární organická hmota snižuje objemovou hmotnost půdy, zvyšuje pórovitost a zlepšuje transport vody v půdě a zvyšuje schopnost půdy zadržovat vodu ze srážek (infiltraci). Na rozdíl od humusových látek ale nemá schopnost vodu zadržovat (vázat).

Uvedené působení primární organické hmoty je však krátkodobé. Pouze několik týdnů či měsíců, podle podmínek pro mineralizaci. Z tohoto důvodu se proto mění postupy ve výpočtech bilancí organické hmoty v půdě. Většina bilancí počítala s celkovými vstupy organických látek (příp. uhlíku) do půdy, ale výpočty nezahrnovaly stabilitu organických látek. Novější bilanční postupy by měly hodnotit také rychlost mineralizace jednotlivých vstupů. Počítána je pak tzv. efektivní organická hmota, která odhaduje množství organických látek zbylé v půdě po jednom roce od aplikace. Tak například aplikací 5 t slámy/ha s obsahem 80 % organických látek (OL) dodáme 4 t OL na ha. Stejné množství bychom dodali aplikací 24 t hnoje při obsahu 17 % OL. Většina organických látek slámy se rozloží v průběhu několika měsíců a v půdě zůstane po jednom roce do 20 % aplikovaných organických látek, avšak z hnoje více než 50 %. Údaje efektivní organické hmoty jsou uvedeny v tabulce 2.

Tab. 2: Obsah organických látek (OL) ve statkových hnojivech, dávka hnojiva pro doplnění 4 t OL/ha, efektivní organická hmota a zbytek OL po roce od aplikace hnojiva

Humusové látky

Další složkou neživé části půdní organické hmoty jsou složité vysokomolekulární látky, které vznikají dlouhodobě v procesu humifikace. Během humifikace prodělává původní organická hmota řadu rozkladných procesů, ale především syntetické procesy, při kterých se spotřebovává energie a tvoří se nové, vysokomolekulární, tmavě zbarvené látky.

Není tedy zcela pravda, že humus vzniká rozkladem organických látek, jak uvádí některé publikace. Naopak, humus vzniká syntézou (kondenzací a polymerací) původně jednodušších organických látek.

Humusových látek jsou tisíce, avšak obecně jsou rozdělovány do tří skupin na základě jejich rozpustnosti v kyselinách nebo zásadách na: fulvokyseliny, huminové kyseliny, huminy. Jedná se o velice heterogenní látky a rozdíly mezi jednotlivými humusovými látkami jsou mimo jiné dány rozdílností v chemickém složení, kyselostí, úrovní hydrofobicity a asociace molekul. Humusové látky jsou popisovány jako amorfní (bez pravidelné struktury), s aromatickými jádry, vysokomolekulární spirálovité polymery v globulární konformaci mající, nízké pH, vysokou iontovou sílu, žluté až černé barvy, odolné vůči mikrobiálnímu rozkladu, které nemají již přesně definovatelnou chemickou stavbu a fyzikální vlastnosti. Tvoří dlouhé spirálové molekuly nebo dvoj až trojrozměrné síťové (cross-linked) makromolekuly s negativním nábojem, který vzniká ionizací kyselých funkčních skupin, například karboxylů.

Omlouváme se za tuto složitou definici, která však jasně vystihuje, že problematika humusu není vůbec jednoduchá. Nebudeme tedy podrobně rozebírat vlastnosti jednotlivých složek humusu, ale dotkneme se souhrnně významu humusových látek. Nechceme si psaní článku zjednodušovat, ale z praktického hlediska zatím nejsou údaje o jednotlivých složkách humusu „podstatné“, jelikož málokdo v zemědělské praxi má k dispozici údaje obsahu fulvokyselin a huminových kyselin, jejich poměru, stupni humifikace, případně dalších údajů potřebných k posouzení kvality humusu. Jak již bylo naznačeno výše, tvorba jednotlivých komponentů je také závislá na stanovištních podmínkách a půdních vlastnostech.

Význam humusových látek

Humusové látky mají na rozdíl od primární organické hmoty zcela jiné poslání v půdě. Jelikož jsou odolné mikrobiálnímu rozkladu, jsou humusové látky velice stabilní v půdě (tab. 3). Nejsou tedy zdrojem živin rozkládané organické hmoty, ale mají významné sorpční a iontovýměnné vlastnosti. To znamená, že na povrchu mohou poutat ionty, především kationty, čímž vytváří jejich „rezervu“ v půdě. Důležité je, že živiny jsou již ve formě iontů, tedy v podobě přijatelné pro rostliny. Podmínkou pro jejich přijatelnost je ale také uvolnění do půdního roztoku a transport až ke kořenům. Půdy s vyšším obsahem humusu mají obvykle vyšší kationtovou výměnnou kapacitu (KVK) a vyšší obsah potenciálně přístupných živin (například stanovený výluhem Mehlich 3). Pochopitelně na sorpční vlastnosti má vliv také půdní druh (obsah jílnatých částic) a na přístupnost živin pak další půdní vlastnosti (vlhkost, pH apod.). Za určitých podmínek však půdy s vyšším obsahem humusu mohou rostlinám tvořit „konkurenci“ a prokazatelně je na těchto půdách pomalejší působení živin z minerálních hnojiv.

Sorpční vlastnosti významně přispívají k zadržování bazických kationtů (zejména vápníku) a dokáží dlouhodobě stabilizovat (pufrovat) případné změny pH v půdě a půdním roztoku. Pozitivní je také působení sorpčních vlastností humusu na snížení mobility řady těžkých kovů, či vazbu xenobiotických polutantů - reziduí pesticidů a dalších látek, kde jsou na povrchu humusových látek snadněji atakovány mikroorganizmy.

Velmi významná je schopnost tvorby organominerálních komplexů (huminové kyseliny + jílové minerály), které mají vysokou stabilitu a vykazují vysokou pórovitost (velké množstvím dutin a vnitřních prostorů) a vytváří předpoklad tvorby dobré a stabilní struktury půdy.

Obdobně jako primární organická hmota, tak humusové látky přispívají ke snížení objemové hmotnosti půdy, zvyšují pórovitost, umožňují transport vody v půdě a zvyšují infiltraci vody do půdy. Humusové látky ale dlouhodobě. S ohledem na vnitřní strukturu makromolekul humusových látek, pak navíc mají schopnost vododržnosti. Vědecké studie uvádí, že mohou zadržet až dvacetinásobek své hmotnosti, přičemž většina zadržené vody může být využívána rostlinami. To je rozdíl od minerálního podílu půdy, zejména jílnatých částic, kdy značná část vody již rostlinami nemůže být využita, neboť zůstává fyzikálně vázána.

Tab. 3: Stabilita humusových látek v půdě

Závěrem

Z výše uvedených údajů by mělo vyplynout, že půdní organická hmota je velice složitý a vzájemně provázaný systém jednotlivých jejích složek. Humusové látky se v půdě vytváří tisíce let a obdobně pomalý je jejich případný rozklad. Naopak primární organická hmota představuje dynamickou složku půdní organické hmoty, jejíž obsah se může rychleji měnit s ohledem její vstupy a na podmínky pro mineralizaci.

Na základě dlouhodobých polních pokusů a výsledků se značenými izotopy uhlíku a dusíku bylo například vypočteno, že při zapravení organické hmoty v množství 1 t C/ha (tj. např. 2 t sušiny slámy/ha nebo 14 t čerstvé hmoty zeleného hnojení) po dobu 10 000 let (ano, deset tisíc let) by v půdě 1 ha vzniklo pouze 12,2 t chemicky stabilizované organické hmoty, 11,3 t fyzikálně stabilizované organické hmoty a 0,47 t by tvořily stabilnější komponenty zbytků rostlinné hmoty (např. lignin, fytin apod.).

Přestože jsme v úvodu uvedli, že organická hmota tvoří jen malý podíl z pevné fáze půdy, lze vypočítat, že při obsahu 2–3 % organických látek v orniční vrstvě (0–30 cm) je na jednom hektaru půdy 80–120 t organické hmoty. Z těchto údajů lze pak odvodit, že moc nezměníme její obsah aplikací několika litrů nebo kilogramů hnojiv s humáty, ale musíme racionálně používat organická/statková hnojiva. Stále platí zákonitosti, které byly uvedeny v úvodu příspěvku, avšak v současnosti máme mnohem více experimentálních údajů, které nám umožňují lépe popsat vzájemné souvislosti a podle toho upravit systém hospodaření.

Schéma: Zjednodušené rozdělení složek půdní organické hmoty

Použitá literatura je k dispozici u autorů příspěvku.

Tento příspěvek byl připraven s využitím poznatků získaných při řešení Specifického výzkumu „S projekt“ MŠMT ČR - GA FAPPZ č. SV19-03-21140.

autoři: Ing. Jindřich Černý, Ph.D., Prof. Ing. Jiří Balík, CSc., dr. h. c., Ing. Martin Kulhánek, Ph.D., Ing. Ondřej Sedlář, Ph.D.; Česká zemědělská univerzita v Praze