A TALAJ SZERVES ANYAGAI

A talaj szerves anyagai A talaj élőlényei növények gyökérzete újraképződött szerves anyag: elhalt növényi humusz és állati maradványok A növényi maradványok szerves anyagai: a szénhidrátok (cellulóz, hemicellulóz, keményítő, egyszerű szénhidrátok), a fehérjék, peptidek, a lignin (kukoricaszár, gabonaszár), a zsírok, viaszok, gyanták.

A növényi maradványok lebontásának három fázisa mechanikai aprítás: mezo-, makro-, és megafauna a biokémiai fázis: - a szövetek elhalása után, kémiai folyamatok következménye: keményítő – egyszerű cukrok, fehérje – peptidek és aminosavak, lignin – kinonok, fenolok gyűrűs vegyületek oxidálás 3. enzimes lebontás: egyszerű vegyületekre (heterotróf szervezetek) aerob körülmények között: CO2, H2O, NO3-, NH4+, H2PO4-, SO2-, Ca2+, Mg2+ és a szabaddá vált mikroelemek, anaerob körülmények között: CH4, NH4+, aminok, egyszerű savak, toxikus gázok: H2S, etilén képződnek.

A növényi maradványok átalakulása A szerves kötésben lévő elemek felszabadulását, ásványi formákká alakítását mineralizációnak (ásványosodásnak) nevezzük. A könnyen bontható szerves anyagok gyorsan mineralizálódnak A humifikáció során a nehezen bontható vegyületek polimerizálódnak és N-tartalmú anyagokkal kapcsolódva, nagy molekulájú, sötétszínű, új stabil vegyületekké, humuszanyagokká alakulnak.

A mineralizáció és a humifikáció kapcsolata Növény- Közbülső Vég- maradványok termékek termékek Ásványi anyagok Szénhidrátok Lignin Fehérjék Zsírok, viaszok, stb. Mineralizáció CO2, H2O Ca2+, Mg2+, K+, NO-3, stb. > 50% 10-40% Humifikáció < 20% Humusz anyagok

A mineralizáció és a humifikáció függ: a szerves anyagok kémiai összetételétől, C : N arányától, C : N < 30 : 1 könnyen bomló szerves anyag, C : N > 80 : 1 nehezen bomló szerves anyag, a talaj hőmérsékletétől (a mezofil mikróbák hőm. opt. 25 – 40°C), vízellátottságtól, levegőzöttségtől és (optimális nedvesség és levegőtartalom), a közeg pH-jától (a legtöbb mikroba 5,5-8,5 pH között szaporodik). Dinamikus változás jellemzi a talajban lejátszódó folyamatokat: aerob körülmények - mineralizáció anaerob körülmények - szervesanyag felhalmozódás

A talajba került szerves maradványok C- tartalmának sorsa az átalakulás során CO2 60-80% Szerves -C 100% 3-8% 3-8% 10-30% Élő Nem valódi Valódi Szervezetek humusz humusz összhumusz (15-35%)

A humuszanyagok csoportosítása a humusz a szerves anyag többé kevésbé átalakult része. Két csoportja van: nem valódi humuszanyagok (a maradványokból felszabadult, de még nem humifikálódott szerves vegyületek), valódi humuszanyagok

Nem valódi humuszanyagok Fehérjék, peptidek, aminosavak. Szénhidrátok (keményítő, cellulóz, hemicellulóz, pektin, kitin, oldható cukor, aminocukrok). Szerves savak (hangyasav, ecetsav, csersavak, stb.) Lignin (a legnehezebben bontható komponens, különböző fenil származékok polimerje). Zsírok, viaszok, gyanták.

Valódi humuszanyagok Különböző savkarakterű polimerek, egymástól eltérő viselkedésű frakciókból állnak. A humuszanyagok viselkedésének, tulajdonságainak és talajtani szerepének felderítéséhez az alábbi kutatók nagymértékben hozzájárultak: Berzelius és tanitványai, Svén Odén, Tyurin, Kononova, Springer, Flaig, Schnitzer.

A híg lúggal kezelt talajból kioldódó humuszfrakciók + (0,5%-os) NaOH oldat nem oldódik Humuszsavak Humin és ásványi rész + HCl oldat csapadék Fulvósavak Huminsavak +meleg alkohol oldódik nem oldódik Himatomelánsavak Barna huminsavak és Szürke huminsavak

A talaj humuszanyagait a következő nagyobb csoportokba sorolhatjuk Humuszsavak a, fulvosavak b, huminsavak: himatomelánsavak barna huminsavak szürke huminsavak Humin anyagok

Humuszsavak néhány jellemzője Szín C% N% Molekula súly Savi karakter Fulvosavak sárga, v sárgás b. 45-50 2-2,5 ~2000-8000 Himatomelán- savak barna 58-62 3-4,5 ~8000 Barna humin- sötét barna 50-60 3-5 Szürke humin- szürkés fekete 6-7,5 > 100.000 Huminsavak csökken

Huminsavak szerkezete I. Pontos szerkezetét nem ismerjük, változatos méretű, különböző szerkezetű molekulákból, összetett anyagcsoportokból áll. Kémiai felépítésével kapcsolatos ismereteinket az alábbiakban összegezhetjük: A humuszsavak gyűrűs szerkezetű építőköveket tartalmazó, nagy molekulájú vegyületek Vázát egymáshoz kapcsolódó aromás gyűrűk alkotják. Fontosak: a polifenol és a kinon típusú alkotórészek. benzol naftalin hidroxikinon kinon furán indol OH O O NH OH O

Aromás gyűrűi közvetlenül vagy híd-kötésekkel kapcsolódnak Aromás gyűrűi közvetlenül vagy híd-kötésekkel kapcsolódnak. Hídként szereplő gyökök: -O-, -NH-, =N-, =N-, =C-C=, -S- A vázhoz oldalláncok kötődnek (szénhidrátszerűek, peptid, vagy aminosav jellegűek) Reaktív csoportok a vázon és az oldalláncokon: közülük a –COOH (karboxil), a fenolos-OH, az alkoholos -OH és a =C=O (karbonil) csoportok savas jellegűek, az =NH (imino) és az –NH2 (amino) csoportok bázikusak. A huminsav frakció fontosabb alkotó elemei: C, H, O, N. C% átlagosan 56-58 %-ot N% átlagosan 4-6 %-ot tesz ki. P-t és S-t kisebb mennyiségben tartalmaz A nitrogén három kötési formában fordul elő: - mag-N (a gyűrűk heteroatomjaként) - híd-N, -a reaktív csoportokban lévő N, elsősorban –NH2 formában

Humuszsavak felépítésének sémája (Stevenson szerkezeti modellje) Reaktív csoport M M híd n aromás gyűrű oldallánc

A huminsav monomer szerkezete Stevenson szerint HC=O (szénhidrát) (HC-OH)4 HC=O O CH-CH2 COOH COO- H O O OH HO O COO- H -O- N O O O COOH HO OH OH O -O- -CH N -O- OH O NH R-CH C=O (Peptid) O

A funkciós csoportok reakciói Szerepük: a humuszsav monomerek polimerizációs és kondenzációs folyamataiban, az oldat kationjai és a humuszsavak kölcsönhatásaiban. A humuszsavak kation megkötésének kétféle mechanizmusa van: Elektrosztatikus vonzás ]-COO- ]-COO- + [Ca (H2O)4]2+ [Ca (H2O)4]2+ ]-COO- ]-COO- Humusz -nagy kationmegkötő képesség -nagy kationcsere kapacitás.

Fémkelátok képződése A karboxil, fenolos-OH, -NH2 csoportok a két és három vegyértékű fémionokkal különböző stabilitású keltátkomplexeket képeznek. -COO- COO OH2 +Ca2+ Ca +H+ -COO- COO OH2 Lényegesen erősebb kötés, a kationok nem kicserélhető. A fémionok fulvosav- és huminsav komplexének stabilitási sorrendje: Hg2+> Fe3+> Al3+> Cu2+> Pb2+> Fe2+> Ni2+> Cd2+> Zn2+> Mn2+> Ca2+>Mg2+ A fulvosavakkal létrejött fémkomplex vízben oldódnak, a humnsavak és a huminanyagok komplexei nem.

A vízben oldódó komplexek közül: az Al- koplexek a podzolosodás folyamataában, az oldható Cu-, Zn-, Fe-kelátok a növénytáplálásban, amíg a toxikus nehézfémek (Pb, Cd, Hg, stb.) oldható komponensei a szennyezőanyagok szétterjedésében játszanak szerepet. A nem disszociált reaktív csoportok H-híd kötések kialakítására is képpesek.

A Humusz szerepe A talajszerkezet kialakításában - agyag / humusz komplexum A talaj tápanyag – gazdálkodásában - tápanyagforrás - tápanyag megőrző (adszorpcióképesség, komplexképzés) Szerepe a hő- és vízgazdálkodásban - sötétebb szín - nagy víztartó képesség

A humusz szerepe a talajban Természetes termékenység Legtermékenyebb talajaink közös jellemzői: Jó minőségű humusz, Ca-humát, Morzsás porózus szerkezet, Megfelelő tápanyag-ellátottság. A humuszanyagok döntő szerepet játszanak: a talajok szerkezetének kialakításában, a talaj tápanyag-gazdálkodásában, a hő- és vízgazdálkodás szabályozásában, a talajok sav/bázis pufferoló képességében.

A humusz hatása a talaj szerkezetére A Ca-humátok által összeragasztott aggregátumok vízállóak és porózusak (egyes bomlástermékek és a mikrobák nyálkaanyagai). A huminsavak és a Fe-, Al-oxidokkal/hidroxidokkal –agyagásványok jelenlétében- tartós szerkezeti elemeket alakítanak ki, de belső pórusterük nincs. Jelentős az agyag-humusz komplex mennyisége és minősége. A humusz, tehát stabil, porózus szerkezetet biztosít: kedvezőbbé teszi a telj vízgazdálkodását, csökkenti a tömörödési hajlamot, fékezi a felületi elaprózódást.

A humusz szerepe a talaj tápanyag-gazdálkodásában A humusz, mint tápanyag-forrás A N forrás 95-97%-a szerves anyagokban található. Szerves anyagok amino csoportja –ammónium ion- nitrát ion. A mag-N és a híd-N a talaj nitrogén tartalékai. A kötött foszfor és kén is lassú folyamatok révén mineralizálódik. A humusz tápanyagmegőrző szerepe Fontos szerepük van a tápanyag megőrzés és a felvehetőség szabályzásában. Adszorbeálja a különböző tápanyagokat: Ca, P, Mg, S, Cu, Zn stb. Szerves anyaghoz kötődnek a mikroelemk (Cu, Mo, Mn, Zn). A humusz csökkenti a környezeti ártalmakat, a toxikus nehézfémek megkötésével (PB, Cd, Hg). A humusz blokkolja a talaj azon ásványi részeit, ahol a foszfát ionok erősen lekötődnének, így csökkenti a foszfor inaktiválódását (humát hatást)

A humusz hatása a talaj a hő- és vízgazdálkodás szabályozásában A humuszanyagok vízfelvétele jelentős. A humuszban gazdag felső réteg sötétebb színű, jobban elnyeli a hősugarakat, gyorsabban felmelegszik, ugyanakkor hőkisugárzása is gyors. A humuszanyagok sav/bázis pufferoló hatása A humuszsavak nagyhatású pufferanyagok. A talajba került, illetve képződött savak/lúgok hatását képpesek közömbösíteni.

A talaj összes humusztartalama Hu% = organikus-C% * 1,724 A szerves anyagnak 100 kb. 58%-a C 58 Ha Hu% < 2% kicsi 2-4% közepes > 4% nagy = 1,724

A humuszminőség becslése A humuszoldat fényelnyelése, extinciója (E) alapján A humuszanyagok stabilitását kifejező stabilitási koefficienst (K) úgy kapjuk, hogy a NaF-os kivonat extincióját (ENaF) osztjuk a NaOH-os szürlet extinciójának (ENaOH) és a talaj humusztartalmának (Hu%) szorzatával. ENaF ENaOH* Hu% K értéke: -csernozjom >1,0 -erdőtalajok ~ 0,1 – 1,0 -szikeseknél ~ 0,01 – 0,1 K=

A talaj szervesanyag gazdálkodása A szerves C-tartalom a következőképen alakult: 400 éves rét-legelő 4,1 C% 100 éves művelt szántó 1,2 C% 150 éves művelt szántó 1,0 C% A talajhasznosítás módja: Az USA-ban végzett 30 éves kísérletek szerint - a monokultúrában termesztett kukorica 64,0%-kal - a monokultúrában termesztett búza 73,0%-kal - a kukorica-búza-vöröshere váltógazdálkodása viszont csak 17,0%-kal csökkentette a feltalaj humusztartalmát.