Próchnica a efektywność nawozów mineralnych

Gleba jest tworem bardziej zróżnicowanym niż nam się wydaje. Wyobraźmy sobie warstwę powierzchniową pola jako tort, którego niewielki kawałek stanowi próchnica glebowa. Ten wycinek, zwykle nie większy niż 2,5% masy glebowej, jest najważniejszy. Kontrolując wiele cech fizycznych, chemicznych i biologicznych gleby decyduje o jej produktywności, mierzonej wielkością biomasy. W kontekście żywienia roślin chodzi nie tylko o systematyczne uruchamianie składników mineralnych z zasobów glebowych. Równie ważna jest świadomość, że pieniądze zainwestowane w nawozy mineralne będą zdecydowanie lepiej spożytkowane, gdy aplikacja nastąpi w stanowisku o odpowiednim zasobie materii organicznej. Ten potencjał, choć warunkowany historią pola liczoną w dziesiątkach lat, należy systematycznie budować. To praca na lata, której jednym z efektów będzie wzrost skuteczności wszystkich stosowanych nawozów. Mówiąc wprost –  środki produkcji, a takimi są nawozy mineralne, będą działać efektywniej.

Trudny start

Zacznijmy od  rozróżnienia pojęć materia organiczna i próchnica. Pierwsze jest szersze i poza przetworzoną w procesie humifakcji materią organiczną (próchnicą) obejmuje także „świeże” resztki roślinne, bakterie i inne organizmy glebowe. Warto wiedzieć, że próchnica (humus) stanowi około 80-85% materii organicznej.

Polskie gleby, powstałe w większości z kwaśnych skał pochodzenia lodowcowego, są z natury ubogie w próchnicę. Spoglądając na mapę zamieszczoną na rycinie 1 zauważymy szczególnie dużo pomarańczowego i żółtego koloru w Wielkopolsce, a także na dużej powierzchni Kujaw i Mazowsza (ryc. 1). Kolory te wskazują na skrajnie niskie zawartości glebowej materii organicznej.

Rycina 1. Zawartość materii organicznej w glebach użytków rolnych (źródło: Siebielec i in. 2020)

Teoretycznie zawartość materii organicznej na przeważającym obszarze Polski jest niedostateczna dla pełnej realizacji potencjału plonotwórczego roślin. Zdaję sobie sprawę z tego, że nie brzmi to dobrze. Stwierdzenie to może okazać się deprymujące dla ambitnych producentów rolnych. Dla innych będzie usprawiedliwieniem. Znam jednak wiele gospodarstw, w których warunki brzegowe nie są łatwe. Mimo to plony kształtują się na: (1) wysokim i (2) stabilnym poziomie. W tych gospodarstwach przywiązuje się jednak dużą uwagę do bilansowania materii organicznej.

Interesujące dane w tym zakresie opublikowano w jednym z Raportów IUNG-PIB (Materia organiczna w glebach mineralnych Polski, Siebielec i in. 2020), w którym napisano: „analiza danych wykazała, że spadek zawartości materii organicznej na przestrzeni ostatnich 30–50 lat dotyczył głównie gleb o wyższej początkowej jej zawartości”. To bardzo niebezpieczna tendencja wskazująca, że w gospodarstwach o względnie dużym potencjale bilans materii organicznej jest ujemny, co w dłuższej perspektywie będzie prowadzić do wyraźnego spadku produktywności tych gleb. Paradoksalnie może to oznaczać, że im gorsze stanowisko, tym większa dbałość o utrzymanie/odbudowę poziomu zawartości próchnicy. Choć w branży rolniczej (pewnie nie tylko w rolniczej) uogólnienia nie zawsze są wskazane.

Bilans próchnicy

Precyzyjne zdefiniowanie wszystkich substratów, z których może powstać próchnica wymagałoby dłuższego wywodu. Wskażmy na najważniejsze:

1. Wszystkie resztki organiczne pozostające na polu. Dotyczy to nie tylko masy korzeniowej, lecz także ścierniska lub alternatywnie słomy pozostawionej na polu.
2. Nawozy naturalne – głównie obornik i gnojowica, w mniejszym stopniu gnojówka;
3. Nawozy organiczne – komposty, nawozy zielone, słoma i inne;
4. Odpowiednie zmianowanie, w tym uprawa roślin bobowatych;
5. Osady ściekowe, lecz w tym przypadku szczególnie ważny jest stały monitoring związany z pochodzeniem i w konsekwencji składem chemicznym oraz przestrzeganie dopuszczalnych dawek.

Przybliżone dane odnoszące się do masy resztek roślinnych (z wyłączeniem słomy) zamieszczono w tabeli 1.

Tabela 1. Masa resztek pożniwnych różnych roślin uprawnych (korzenie + ścierń) i zawartość składników mineralnych (dane wg różnych autorów); wartości podano dla plonów na poziomie 70-75% potencjału plonotwórczego; opracowanie Potarzycki, 2017

W cytowanym wcześniej raporcie IUNG-PIB czytamy: „przyrost zawartości materii organicznej stwierdzono w większości przypadków na glebach lekkich, często okresowo zbyt suchych, co należy zapewne tłumaczyć sposobem ich rolniczego użytkowania, stosowanymi płodozmianami, nawożeniem organicznym i innymi elementami agrotechniki sprzyjającymi akumulacji próchnicy”. Nie wnikając w to z jaką glebą mamy do czynienia, dbałość o systematyczny dopływ związków organicznych musi być priorytetem. Przywoływałem już kiedyś zasadę stosowaną w medycynie „po pierwsze nie szkodzić” (Primum non nocere). Stwierdzenie to bardzo dobrze tłumaczy konieczność utrzymania bilansu próchnicy przynajmniej na stałym poziomie. Pamiętajmy, że uprawa roślin okopowych, ale także zbóż i rzepaku ozimego w wariantach, w których słoma jest wywożona z pola prowadzi do ubytku próchnicy glebowej. Podobnie jest na polach po kukurydzy uprawnianej z przeznaczeniem na kiszonkę. Tak więc stosowanie nawozów naturalnych lub/i organicznych nie jest niczym nadzwyczajnym, to tylko realizacja powyższej zasady.

Oddzielnym zagadnieniem, związanym z gospodarką materią organiczną, jest pojawiające się pytanie: orać czy nie orać? To temat złożony, wywołujący często burzliwe dyskusje. Dane literaturowe (choć nie wszystkie) wskazują, że stworzenie warunków tlenowych w warstwie powierzchniowej sprzyja mineralizacji świeżej materii organicznej, a także próchnicy. Stąd kreowany pogląd, zgodnie z którym, w glebach lekkich, o małej zawartości próchnicy należy preferować uproszczenia w uprawie lub wręcz wprowadzić system bezorkowy, po to by ograniczyć dopływ tlenu.

Szybkość rozkładu materiału organicznego zależy od wielu czynników, takich jak stosunek C:N, temperatura i wilgotność. W tabeli 2 przedstawiono średnie wartości współczynnika określającego ilość substancji pozostającej w glebie w postaci nierozłożonej po roku. Im większa wartość, tym wolniejszy rozkład. Podane w tabeli zakresy zależą od składu chemicznego słomy, a także od udziału roślin bobowatych i generalnie są mniejsze gdy wzrasta udział rośliny bobowatej.

Tabela 2. Współczynniki charakteryzujące tempo mineralizacji różnych materiałów organicznych. Podane wartości oznaczają ilość substancji pozostałej po roku. Opracowanie Potarzycki, na podstawie danych różnych autorów.

Właściwości gleby kształtowane przez próchnicę

Na temat właściwości gleby kontrolowanych przez próchnicę glebową mówię studentom na 1,5 godzinnym wykładzie, a i tak mam wrażenie, że to zbyt krótko. Próchnica jest podstawowym czynnikiem decydującym o żyzności gleby. Praktycznie każdy proces, każda cecha gleby, jest powiązana z obecnością kwasów humusowych. Kwasy te mają ogromną zdolność do wiązania/zatrzymywania wody. Są jak gąbka. Ponadto rozbudowane łańcuchy tych związków, ze względu na obecność reaktywnych grup funkcyjnych (karboksylowych, alkoholowych, karbonylowych czy metaksylowych) posiadają zdolność do wiązania głównie kationów, lecz w określonych warunkach także anionów. Próchnica glebowa w powiązaniu z wydzielinami śluzowymi drobnoustrojów stanowi lepiszcze dla agregatów glebowych, co przekłada się na poprawę warunków powietrznych, stymulując wzrost korzeni. Gleby próchniczne mają też większą buforowość czyli są mniej podatne na zakwaszenie.

Jak to powiązać z nawozami mineralnymi?

Nawiązując do tytułu wpisu, uważny Czytelnik mógłby zadać pytanie: jaki to wszystko ma związek z efektywnością nawożenia mineralnego? Proszę zwrócić uwagę, że powyższy akapit jednoznacznie tłumaczy mniejszą podatność roślin na stres abiotyczny w warunkach odbudowy poziomu próchnicy. Czym jest stres abiotyczny? Między innymi jest wynikiem niedostatecznego zaopatrzenia w wodę i składniki mineralne. Próchnica glebowa zatrzymuje wodę i systematycznie oddaje ją powodując wzrost rozpuszczalności nawozów mineralnych. Pamiętajmy, że większość składników przemieszcza się w kierunku korzenia rośliny z wodą (ściślej z prądem transpiracyjnym). Tak więc nie wystarczy, że granula nawozowa się rozpuści, potrzebny jest jeszcze transfer jonów. Fosfor i potas przemieszczają się na zasadzie dyfuzji, lecz wartość współczynnika dyfuzji także zależy od wilgotności gleby w ryzosferze.

A co z uciekającymi w głąb profilu glebowego jonami? Tu także ogromna rola próchnicy, która jest składową kompleksu sorpcyjnego, który można określić jako magazyn gleby. Związki organiczne wchodzące w skład próchnicy mają kilkukrotnie większą zdolność do wiązania jonów, w porównaniu z cząstkami mineralnymi. W tych warunkach po przedsiewnym zastosowaniu nawozu składniki będą czekały na rozwijające się korzenie roślin.

Próchnica o dostępność fosforu

W literaturze opisano ścisły związek między wzrostem dostępności fosforu mineralnego (glebowego, ale także z nawozów) a obecnością związków organicznych w powierzchniowej warstwie gleby. Argumentów potwierdzających to stwierdzenie jest wiele, przywołam najważniejsze:

1. Rozkładowi materii organicznej towarzyszy powstanie kwasów mineralnych i organicznych jako pośrednich produktów mineralizacji. Są to często związki mało stabilne, lecz zdecydowana większość z nich przyczynia się do wzrostu rozpuszczalności fosforu glebowego, a także związków fosforu z nawozów mineralnych o mniejszej rozpuszczalności. Ta sama zasada dotyczy anionów fosforanowych wcześniej uwstecznionych.
2. Powstałe w wyniku mineralizacji kwasy wiążą kationy żelaza, glinu, manganu i wapnia, które są odpowiedzialne za uwstecznianie fosforu. W ten sposób fosfor z zastosowanych nawozów mineralnych jest łatwiej dostępny w początkowym okresie wegetacji oraz działa dłużej w tym znaczeniu, że kontakt z wymienionymi kationami jest ograniczony, a uwstecznione aniony fosforanowe są rozpuszczane. W literaturze anglojęzycznej mówi się, że „fosfor jest uwalniany na wolność”.
3. Gleby próchniczne mają ciemną barwę, a to oznacza, że szybciej się nagrzewają. Pamiętajmy, że dostępność fosforu jest funkcją temperatury. Im cieplej, tym szybciej fosfor przemieszcza się w kierunku korzenia rośliny. Ma to ogromne znaczenie na przedwiośniu (zboża ozime i rzepak ozimy) oraz w uprawie kukurydzy, która ma szczególnie duże wymagania względem fosforu.

Próchnica dla drobnoustrojów

Pozostawiając w glebie słomę, liście buraczane lub wprowadzając obornik robimy to także dla mikroorganizmów glebowych. Te z jednej strony uzyskają energię niezbędną do funkcjonowania, z drugiej pomagają przetworzyć resztki roślinne, słomę lub nawozy naturalne w próchnicę. Dla rolnika efektami dodanymi będą:

1. Większe zasoby azotu, siarki i fosforu dla roślin (pochodzących z mineralizacji);
2. Szybsza nitryfikacja (powstanie azotu azotanowego) oraz hydroliza mocznika (przemiana do form amonowych);
3. Wzrost efektywność fosforu z nawozów, w tym SUPERFOSFATU oraz nawozów typu LUBOFOS i LUBOFOSKA;
4. Szybsze uwalnianie wapnia i siarki z siarczanu wapnia, z wymienionych wyżej nawozów (ryc. 2).

Rycina 2. Wpływ materii organicznej na efektywność nawozów mineralnych z fosforem

Ze względu na ogromną pracę, którą wykonują bakterie glebowe, związaną z syntezą próchnicy oraz przemianami składników pokarmowych bardzo ważna jest kontrola warunków ich funkcjonowania. To dodatkowy argument za korektą odczynu gleby. Wynika to z faktu, że dla większości mikroorganizmów optymalne pH gleby zawiera się w przedziale wyznaczonym dla odczynu obojętnego. Zależność tą potwierdzono w badaniach monitoringowych opublikowanych przez IUNG-PIB. W warunkach gleb kwaśnych następował trend do ujemnego bilansu próchnicy (ryc. 3)

Rycina 3. Zamiany zawartości próchnicy w glebie zależnie od odczynu gleby; kolor czerwony oznacza ubytek, zielony wzrost (opracowano na podstawie Siebielec i in. 2020)

Podsumowując – gleby mają swój określony/zdefiniowany poziom próchnicy, którego nawet niewielka zmiana „na plus” jest bardzo trudna, lecz możliwa. To żmudna praca, która się opłaca. Niestety, znacznie łatwiej zmienić obecny poziom „na minus”. Trzeba o tym pamiętać prowadząc intensywną produkcję roślinną.