JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH Zemědělská fakulta

1. JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCHZemědělská fakulta Katedra aplikovaných rostlinných biotechnologií Téma: Význam organické hmoty pro půdní úrodnost. Ing. Jiří Peterka, Ph.D. 26. 3. 2012

2. Struktura habilitační přednášky: • I. Odborná část • 1. Význam půdní úrodnosti • 2. SOM - „Soil Organic Matter“ - půdní organická hmota • II. Koncepce rozvoje oboru • III. Pedagogika

3. 1.Půdní úrodnost(Wohlrab 1963) •  je funkce složitého souboru vlastností, které při vhodné kombinaci jednotlivých složek zajišťují rostlinám optimální podmínky pro růst a vývoj a tím i zajišťují realizaci jejich výnosového potenciálu •  vždy pro konkrétní půdně-ekologické podmínky • Wohlrab rozdělil půdní úrodnost do 4 vzájemně se ovlivňujících prvků: •  fyzikální faktory •  agrochemické faktory •  vodní režim •  organické a biologické faktory

4. Obr. 1. Prvky půdní úrodnosti (Wohlrab 1963)

5. 2. Půdní organická hmota – v anglické literatuře se vžila její zkratka SOM (Soil Organic Matter) • SOM  je neobyčejně složitá heterogenní směs organického materiálu převážně: • rostlinných, živočišných i mikrobiálních zbytků s obsahem mono-polymerních molekul organických látek, ligninu, proteinů, polysacharidů (celulózy, hemicelulóz, chitinu, peptidoglykanů), lipidů, vosků, a dalšího alifatického materiálu (mastných kyselin, kutinu, suberinu, terpenoidů aj. minoritních organických látek. • Obsahuje také produkty humifikace, fulvokyseliny, huminové kyseliny a huminy tj. látky, které označujeme jako „humus“.

6. Půdní organická hmota (SOM)  neustále doplňována • (hlavními zdroji: posklizňové zbytky, rostlinný odpad, hmota kořenů, kořenové exudáty, odumřelé makro a mikroorganismy, samozřejmě také organická hnojiva) • SOM se však většinou v půdě nehromadí, protože je stále enzymy půdních mikroorganismů přeměňována, čili transformována. Tato transformace může probíhat v zásadě jen dvěma hlavními směry: 1. Mineralizací 2. Humifikací

7. 1. Mineralizace je exotermický proces spojen s uvolněním energie. Velké skupiny organických látek  jsou nejprve velmi pestrou skupinou enzymů třídy hydroláz, které produkují půdní mikroorganismy, hydrolyzovány reakcemi s vodou na látky jednodušší a ty jsou pak oxidovány jinými enzymy, z třídy oxidoreduktáz až CO2 Mineralizace se tento proces jmenuje proto, že živinné prvky N, P, S aj., které byly původně součástí organických sloučenin půdní organické hmoty se náhle objevují ve formě minerální jako ionty NH4+, NO3-, SO42-, H2PO4-, HPO42- atd.

8. Všimněte si dvou okolností: • 1. Produkty mineralizace i uvolnění tepla jsou podobné těm, které vznikají spalováním organického materiálu. • Proto můžeme souhlasit s představou, často v praktické literatuře uváděnou, že mineralizace je pomalé spalování • 2. Mineralizace  je nemyslitelná bez činnosti mnoha enzymů, produkovaných půdními mikroorganismy. • Faktory, které záporně působí na aktivitu půdní mikroflóry (extrémní hodnoty pH, vlhkosti půdy, intoxikace půdy vysokým obsahem solí či mikrobiálních jedů) působí záporně také na mineralizaci.

9. Organické látky, které snadno mineralizují označujeme jako frakcilabilních půdních organických látek. • Frakce, které mineralizujívelmi pomalu, tvoří stabilnípůdní organické látky. • Pochopitelně mezi těmito dvěma mezními frakcemi existuje velmi mnoho mezistupňů.

10. Čím je mineralizace prospěšná pro zemědělce? 1. Nejvýznamnějsím efektem mineralizace je to , že je zdrojem energie pro půdní mikroorganismy a že tak ovlivňuje jeden ze základních faktorů půdní úrodnosti - biologickou(mikrobiální) aktivitu půdy. 2. Je zdrojem základního hnojiva pro rostliny, CO2. 3. Je zdrojem minerálních živin, uvolněných z nepřístupné formy v organické hmotě. 4. Je zdrojem energie pro druhý transformační proces půdní organické hmoty - pro humifikaci.

11. 2. Humifikace • jena rozdíl od mineralizace jeproces endotermický, neuvolňuje, ale naopak spotřebovává energii. • Zatímco mineralizace představovala proces rozkladný, při kterém z velkých organických molekul vznikají molekuly menší a zase menší (až nakonec se uvolní CO2), při humifikaci naopak velikost molekul roste. • Humifikace je tedy proces syntéz, syntetický. • Oba dva transformační procesy půdní organické hmoty probíhají v půdě současně, ale ve velmi rozdílné míře.

12. 1. Rychlost mineralizace i množství substrátové přeměny je nesrovnatelně vyšší, než u humifikace. • 2. Humifikace, syntéza velkých molekul polymeračními a polykondenzačními reakcemi je proces velmi pomalý (nelze jej posuzovat jen podle změny barvy, či stupně rozpadu původních částic půdní organické hmoty). • 3. Měřítkem stupně humifikace je jen zvýšení kapacity iontové výměny. • 4. Humifikace  je nemyslitelná bez současně probíhající mineralizace, která je pro humifikaci (respektive pro mikroorganismy produkující enzymy, které ji realizují) zdrojem nutně potřebné energie.

13. Nyní operujeme s dvěma pojmy – organickou hmotou a humusem. • Musíme trochu zamířit do historie. • Výzkum organické půdní hmoty začíná kolem r. 1786, významnější práce se objevují až počátkem 20. století. • Nejdříve si vědci mysleli, že humusje tvořen několika málo sloučeninami, přesně definovanými. • Např. Psali o kyselině krenové, apokrenové, ulminové a huminové, pak se ale zjistilo, že humusové kyseliny představují vždy ohromně široký soubor velmi podobných chemických individuí, které nejsme schopni jednotlivě izolovat, pouze jen třídit do skupin např. podle relativní molekulové hmotnosti.

14. Waksman (1936) → označil za humus směs organických látek v půdě, které pocházejí z rostlin, včetně tuků, vosků, pryskyřic, celulózy, hemicelulóz a lignoproteinového komplexu. • Jinými slovy:  vrátil se ve vývoji zpátky, vysokomolekulární látky vzniklé humifikací již neodděloval. • Tato Waksmanova představa, později vyvrácená řadou dalších badatelů, se bohužel projevuje do dnes. • Pojmy „půdní organická hmota“ a „humus“ se považují často za „synonyma“.

15. Waksmanova nesprávná představa však zanechává stopu i v dnešním dělení půdní organické hmoty na: • 1. Humusotvorný materiál • 2. Meziprodukty rozkladu a syntézy • 3. Humus  organická hmota vzniklá humifikací • Bohužel, skupině 3 se říká také „humus vlastní“ a součtu skupin 2 + 3 „humus veškerý“.

16. Organickou hmotu půdní rozdělme na 2 frakce: • 1. Primární půdní organickou hmotu • 2. Humus • 1. Primární půdní organická hmota může býtpůvodní i rozložená, může být transformačními procesy i přeměněná, ale humifikační proces u ní nebyl dokončen: •  proto nemá výraznou iontovýměnnou kapacitu •  může být tvořena velmi labilními i dosti stabilními organickými látkami •  může tedy rychle či pomalu mineralizovat (ale z hlediska časového úseku lidského věku)

17. Základní rovnice rozkladu hmoty v aerobních podmínkách (Šarapatka a kol. 2010) enzymová oxidace • R – (C, 4H) + 2 O2 CO2↑ + 2 H2O + energie(478 kJ.mol-1 C) • Uhlíkaté sloučeniny jsou enzymaticky oxidovány, je produkován CO2, voda, energie a rozkládající se biomasa. • Rozklad organické hmoty při nedostatku kyslíku: bakterie 4C2H5COOH + 2H2O  4CH3COOH +CO2↑ + 3CH4↑ • Proces dekompozice  probíhá mnohem pomaleji a hromadí se značné množství nerozložené nebo částečně rozložené organické hmoty. • Produkty rozkladu zahrnují sloučeniny, jako např. organické kyseliny, alkoholy či metan.

18. Tab. 1. Rychlost rozkladu organické hmoty v půdě (Šarapatka a kol., 2010)

19. 2. Humus tj. jen látky vzniklé v procesu humifikace. • Jsou charakteristické schopností: • iontové výměny • a také mineralizují (ale z hlediska lidského věku prakticky nikoli).

20. Množství humusu v celkové půdní organické hmotě  vyjadřujeme stupněm humifikace SHtj. % vyjádřením oxidovatelného C humusových kyselin (fulvokyselin a huminových kyselin) z celkového oxidovatelného uhlíku: • CoxFK + CoxHK • SH= ---------------------- . 100 • Cox totální • Z již uvedeného důvodu s uhlíkem huminů zde neuvažujeme (snad později, až bude vyvinuta potřebná analytika).

21. Schopnost k mineralizaci •  je typická pro primární organickou hmotu. • Mineralizovat může rychle či pomalu, ale vždy v období 0 - 20 let zřetelně mineralizuje. • Primární organická hmota může mít vlastnosti sorpční, ale nikdy nemá výrazné vlastnosti iontovýměnné z hlediska kapacity.

22. Jak budeme obsah organické hmoty vyjadřovat? • 1. V systémových studiích např. ekologických, krajinářských atd. stačí vyjadřovat její obsah v hodnotách Cox. • 2. V studiích, kde rozhodující roli hraje oxidační proces např. v energetických úvahách o využití biomasy, v bioplynových stanicích, je obvyklé vyjadřovat množství organické hmoty množstvím kyslíku, které je potřeba k jeho oxidaci na mokré cestě bichromanovou metodou, tzv. „chemickou spotřebou kyslíku“, označenou CHSK (obvyklé v hydrochemických publikacích)

23. 3. V studiích zemědělských bychom měli rozlišovat 2 základní frakce půdní organické hmoty: • humus a primární organickou půdní hmotu. • Humus je bohuželtvořen spoustou humusových kyselin, které jsou chemicky téměř totožné, ale značně se liší relativní molekulovou hmotností. • A právě velikost molekuly jim dává zcela rozdílné vlastnosti. • Proto bychom měli humusovou frakci dělitpodleprocentického zastoupení tříd relativní molekulové hmotnosti.

24. Primární organickou hmotu půdní bychom měli dělit. • Protože u ní je rozhodující vlastností je schopnost k mineralizaci, měli bychom v ní stanovit podíl cenných labilních organických látek→ty jsou prezentovány uhlíkem v studené vodě rozpustných organických látek Ccws, v horké vodě rozpustných organických látek Chws. • Pak bychom měli stanovit: obsah snadněji oxidovatelných látek uhlíkem CPM (tj. uhlík organických sloučenin oxidovatelných neutrálním roztokem KMnO4 podle Blaira) • Dále stanovit → podíl uhlíku látek (které k mineralizaci potřebují enzymatickou účast půdních bakterií čili Cminer),uhlík mineralizovatelnýza podmínek dané metody.

25. Snadno mineralizovatelná půdní organická hmota  slouží především pro potřebu a posílení půdního mikroedafonu a proto je zásadní podporou jeho funkcí: • 1. Podporuje celý půdotvorný režim (pro něhož je biologický faktor rozhodující). • 2. Je zdrojem minerálních živin a CO2, kterýslouží nejen jako základní surovina k tvorbě organické hmoty rostlin v procesu fotosyntetické asimilace, • slouží i k udrženívápenato-uhličitanové a hořečnato-uhličitanové rovnováhy v půdě 

26.  a rozhoduje o rozpustnosti a nerozpustnosti Ca a Mg v půdě podle rovnic: • CaCO3 + H2O ↔ Ca(HCO3)2 • -------- ------------- • MgCO3 + H2O + CO2↔ Mg(HCO3)2 • ------------ --------------------- • nerozpustný rozpustný • 3. Rozvoj mikroedafonu  usnadňuje i rozklad a detoxikaci xenobiontů, kontaminujících půdu ze znečistěné atmosféry i z vlastní zemědělské činnosti (rezidua pesticidů)

27. 4. Je zdrojem energie a předpokladem humifikace a tvorby humusu. • 5. Působí nejen mobilizace přístupného minerálního dusíku z nepřístupného organického dusíku, ale naopak i proces opačný – imobilizaci dusíku (která je důležitým procesem v naší snaze omezit ztráty minerálního dusíkuelucí do půdní spodiny a vod a snížit tak stupeň kontaminace životního prostředí).

28. 6. Snižuje specifickou hmotnost půdy • Snižuje objemovou hmotnost • Zvyšuje provzdušněnost půdy • Zlepšuje  základní i odvozené půdní hydrolimity • Zlepšuje technologické konstanty půdy • Lze říci, že obecně  zlepšuje fyzikální a mechanicko-fyzikální vlastnosti půdy.

29. Význam humusu pro půdní úrodnost •  je založena na jeho schopnostech iontovýměnných a na specifických vlastnostech aktivního povrchu humusových částic: • 1. Iontová výměna humusu (je obecně 5 – 7 x vyšší), než iontovýměnná kapacita minerálních, jílových koloidních částic v půdě •  je základním mechanismem hospodaření s živinami v půdě •  omezuje eluci živin z půdy (tím ovlivňuje celý živinný režim půdy, efektivnost hnojení, jeho rentabilitu, ovlivňuje příjem živin a relace mezi nimi).

30. Hospodaření na půdách s nízkým obsahem humusu nebo s jeho špatnou kvalitou by dnes, při vysoké ceně všech vstupů, muselo být velikostí ztrát nerentabilní. • 2. Humusové koloidní látky mají vysoce aktivní povrchovou energii a tvoří s minerální koloidní frakcí adsorbční komplexy. • Tyto organominerální jednotky  jsou poměrně odolné vůči mineralizaci  jsou základem stavby a vodostálosti pravých, půdních agregátů, které jsou nejen základem půdní struktury, zajištěním žádoucí rovnováhy mezi vzduchem a vodou v půdě,

31.  zlepšením mechanicko-fyzikálních vlastností půdy  jsou místem koncentrace půdního mikroedafonu, kde v optimálních podmínkách vodně - vzdušného režimu intenzivně probíhají biochemické reakce • 3. Humus svojí iontovýměnnou kapacitou je nejvýznamnějším půdním pufrem, hmotou, která udržuje v půdě stálé pH, •  brání výkyvům, působením v daném okamžiku rozdílnou koncentrací CO2 v půdním roztoku. • Toto kolísání by bylo pro půdní mikroorganismy brzdou jejich rozvoje.

32. 4. Iontovýměnné a sorpční vlastnosti humusu •  umožňují imobilizaci organických i minerálních škodlivin v půdě •  jde nejen o těžké kovy, ale i o velmi snadno sorbovatelné kancerogenní polykondenzované aromáty, polychlorované dioxiny • dibenzofurany, • polychlorované bifenyly, • kancerogenní mykotoxiny nitrosaminy • Humus je tedy prokazatelně pro půdu přínosem • z mnoha hledisek, jak bylo prezentováno.

33. II. Další rozvoj vědecko – výzkumné činnosti: • 1. Rozšíření spolupráce s VŠ, Výzkumnými ústavy, pracovišti AV ČR - projekty, přednášky aj. • 2.Publikace nejnovějších poznatků z oblasti zemědělství  impaktové publikace, vědecké publikace, patenty a užitné vzory) • 3. Zaměření výzkumné práce z hlediska moderních technologiií v zemědělství (biotechnologie, malotechnologie)  jejich přínos a využití v praxi.

34. 4. Na ZF JU rozvoj technologií minimálního zpracování půdy (navázání na výsledky z výzkumné práce doc. Stacha, prof. Ledviny)  pokračování v problematice transformace půdní organické hmoty, která je u těchto technologií jedním ze stěžejních problémů po stránce výzkumné. • 5. Projekty NAZV, GA ČR, TA ČR, OP VK (Vzdělávání pro konkurenceschopnost), OP PI (Podnikání a inovace, OP Meziregionální spolupráce).

35. III. Pedagogická činnost: • 1. Přednášková činnost moderní metody a kvalita výuky (e-learning, zahraniční pobyty lektorů, stáže pedagogů)  podpora jejich „mobility“. • 2. Podpora vzdělávání v oblasti jazykové a IT dovednosti (pedagogů, lektorů, řídících a organizačních pracovníků). • 3. Příprava projektů • se zapojením studentů VŠ  • Závěrečné práce, • Power-pointové prezentace aj. • 4. Propagace studia DSP • (doktorských studijních programů).

36. 5. Výzkumná pracoviště moderní učebny, přístrojová a laboratorní technika („finanční možnosti“). • 6. Inovace studijních programů na VOŠ a VŠ v souladu s požadavky a potřebami trhu práce. • 7. Nová akreditace oboru na ZF JU: • „Biotechnologie využití biomasy. Výsledky výzkumné činnosti (viz. část: „Výzkum“bod 4)  využít a uplatnit i v pedagogické činnosti.

37. 8. Vstřícná mezioborová spolupráce vyučovaných disciplin na VŠ (Základní agrotechnika, Agroekologie, Půdoznalství, Klimatologie, Šlechtění a pěstování rostlin, Fyziologie rostlin, Výživa a hnojení rostlin, Výživa hospodářských zvířat) • 9. Rozvoj poradenství •  zapojení odborníků z praxe do výuky - přednášky, semináře, work-shopy • 10. Intenzivní spolupráce se ŠZP ZF JU •  výuka a praxe, poloprovozní a provozní pokusnická činnost, realizace Bc., DP a DDP prací studentů, doktorandů.

38. Děkuji za pozornost