Czy można zmienić ilość próchnicy w glebie?

Udzielnie odpowiedzi na tak postawione pytanie wcale nie jest łatwe. Dlaczego? Ponieważ wiele zależy od oczekiwań pytającego. Jeśli założymy, że zależy nam na znacznej poprawie poziomu zawartości próchnicy w glebie, osiągniętej w krótkim czasie – odpowiadam: to jest niemożliwe. Realna jest natomiast taka gospodarka zasobami materii organicznej, która pozwoli na stabilizację tej cechy gleby. Proszę mi wierzyć, to już bardzo dużo. Dopiero w dłuższej perspektywie możemy się spodziewać efektów uruchomienia procesów ukierunkowanych na poprawę ilości humusu w warstwie ornej. Musimy jednak pamiętać, że zakres ewentualnych zmian jest ograniczony.

CO TO WŁAŚCIWIE JEST PRÓCHNICA?

Już na początku napotykamy na problem – jak zdefiniować próchnicę. Definicji naukowych jest wiele. Nie zamierzam ich tutaj przytaczać i analizować. Zazwyczaj robię to na zajęciach z moimi studentami i niech tak zostanie. Tym bardziej, że sprawa nie jest prosta, a definicje nie zawsze są jednoznaczne. Jednak dla lepszego zrozumienia omawianych problemów muszę, choć w zarysie, podać znaczenie niektórych pojęć. Materia organiczna to niejednorodna substancja, na którą składają się żyjące w glebie organizmy (bakterie, grzyby, korzenie roślin i inne), obumarłe lecz nierozłożone tkanki roślinne i zwierzęce oraz próchnica czyli humus. Jak widać próchnica to nie to samo co materia organiczna. Prawdą jest jednak, że humus (H) stanowi około 85% całej materii organicznej (MO) gleby i stąd w wielu publikacjach oba pojęcia używane są zamiennie. Odpowiedzmy sobie jeszcze, co to w takim razie jest próchnica. Dokonując pewnego uproszczenia możemy powiedzieć, że próchnica to mieszanina swoistych i bezpostaciowych, ciemno zabarwionych, wielkocząsteczkowych związków organicznych, które zwykle są oporne na rozkład. W skład humusu wchodzą też węglowodany, białka i pochodne (substancje nieswoiste). W tym miejscu najważniejszą informacją jest to, że swoiste związki próchniczne (nie wchodźmy już w szczegóły jakie) powstają w środowisku glebowym, przy udziale mikroorganizmów. Są zatem tworem specyficznym tylko dla środowiska glebowego. Mamy więc bardzo ważny przekaz – zadaniem rolnika jest stworzenie odpowiednich warunków do syntezy związków humusowych w glebie. O tym jednak na końcu. Teraz zastanówmy się ile próchnicy jest w glebach polskich.

ILE PRÓCHNICY?

Przeciętna zawartość próchnicy w glebach polskich nie jest duża i w warstwie ornej najczęściej waha się w zakresie 0,5 – 3,2% (Corg) – tabela 1. Mimo dość szerokiego zakresu wartości możemy przyjąć, że jest to średnio około 1,5%. W tym miejscu jeszcze jedno wyjaśnienie – wartości te wyrażane są % węgla organicznego (Corg.). Dzieje się tak ze względu na fakt, że węgiel jest najważniejszym pierwiastkiem wchodzącym w skład próchnicy. Do przeliczenia Corg. na zawartość próchnicy (H) należy użyć współczynnika 1,724. Poniżej zamieszczono mapę (rycina 1), na której pokazano jaka jest przeciętna zawartość próchnicy na terenie Polski. Wprawdzie jest to tylko mapa poglądowa ale nawet pobieżna ocena pozwala na wskazanie obszarów, na których można spodziewać się gleb o większej zawartości próchnicy. Jak widać ciemniejszych miejsc na mapie nie ma dużo. Nie zapominajmy jednak, że nawet w obrębie jednego gospodarstwa możliwa jest duża zmienność glebowa obejmująca gleby o różnej genezie i odmiennych właściwościach fizyko-chemicznych (tzw. mozaika glebowa).

Tabela 1.

Rycina 1. Zawartość substancji organicznej w glebach użytków rolnych w Polsce

KTÓRE WŁAŚCIWOŚCI GLEBY ZALEŻĄ OD ZAWARTOŚCI PRÓCHNICY?

Próchnica ma trudny do przecenienia wpływ na szereg właściwości gleby. Zwykle dokonuje się podziału na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne. Postępowanie takie ułatwia wprawdzie uporządkowanie wiedzy lecz trzeba pamiętać, że między poszczególnymi cechami gleby dochodzi do interakcji.

Spośród właściwości fizycznych zwróćmy uwagę na trzy najważniejsze: barwę, pojemność wodną i strukturę. Gleby o względnie dużym poziomie próchnicy są zwykle ciemniejsze, co wynika z obecności w powierzchniowych warstwach profilu glebowego kwasów humusowych i ich soli z wapniem (humin). Gleby ciemniejsze szybciej się nagrzewają. Ma to znaczenie dla wczesno-wiosennej wegetacji roślin. Ponadto ważną konsekwencją nawet niewielkiego wzrostu temperatury w glebie jest zwiększenie rozpuszczalności związków fosforu, które zwłaszcza w okresie wiosny, są szczególnie ważne ze względu kształtowanie systemu korzeniowego roślin. O wpływie próchnicy na właściwości wodne gleb pisałem w ubiegłym miesiącu. Dzisiaj przypomnę więc (cytując siebie), że „… substancje próchniczne znajdujące się w glebie mają bardzo dużą pojemność wodną. Zależnie od charakteru kwasów próchnicznych wchodzących w skład materii organicznej, w stosunku do swojej masy związki te mogą zatrzymać 3-6 -krotnie więcej wody. Są to zwykle formy wody dobrze dostępnej dla roślin …”. Ostatnią cechą wymagającą omówienie jest struktura gleby. Wprawdzie niektórzy gleboznawcy uważają, że nie jest to właściwość fizyczna ale w tym momencie nie to jest najistotniejsze. Struktura gleby to rodzaj i sposób wzajemnego powiązania oraz przestrzenny układ elementarnych cząstek fazy stałej. Na ten temat powiedziano i napisano bardzo dużo. Zapamiętajmy tylko, że najbardziej pożądana jest struktura gruzełkowa, co oznacza, że agregaty glebowe są kuliste, porowate i trwałe a pod działaniem siły zewnętrznej rozpadają się na mniejsze cząstki. Struktura gruzełkowa zapewnia korzeniom roślin odpowiednie warunki wodno-powietrzne, wpływa na szereg właściwości gleby, jest istotnym kryterium oceny jakości gleby (rycina 2). Jaki ma to związek z próchnicą? Lepiszczem dla agregatów glebowych są między innymi kwasy próchniczne. Zatem więcej próchnicy to lepsza struktura gleby.

Rycina 2. Wpływ struktury gleby na niektóre właściwości gleby

Zanim napiszę o wpływie próchnicy na właściwości chemiczne gleb spójrzmy przez chwilę na hipotetyczny model budowy kwasu huminowego (rycina 3).

Rycina 3. Model cząsteczki kwasu huminowego

Mam wrażenie, że niektórzy w tym momencie zapytali: po co? Odpowiadam: żeby uświadomić sobie, jak skomplikowana jest struktura kwasów próchnicznych i jak duża jest różnorodność grup funkcyjnych. To z kolei sprawia, że próchnica posiada dużą ilość ładunków czyli jest tworem bardzo reaktywnym. I tu dochodzimy do sedna sprawy. Jedną z najważniejszych cech próchnicy jest ogromna zdolność sorpcyjna. Sorpcja, to mówiąc najprościej zdolność fazy stałej gleby do przyłączania (wiązania, sorbowania) jonów (rycina 4).

Rycina 4. Sorpcja kationów przez kwas próchniczny

Wprawdzie kwasy próchniczne nie są jedynymi sorbetami w glebie ale w porównaniu z minerałami glebowymi czy hydroksytlenkami zdolność do wiązania jonów przez próchnicę jest nawet kilkunastokrotnie większa. To jest kluczowa informacja odnośnie gospodarki składnikami mineralnymi. Dbając o odpowiedni poziom próchnicy w glebie zwiększamy „magazyn” gleby – składniki nie są wymywane do głębszych warstw profilu glebowego czyli nie są tracone. Kationy i część anionów związanych w powierzchniowych warstwach gleby mogą ulec desorpcji czyli powrócić do roztworu glebowego i zostać pobrane przez rośliny. Efekt: ograniczenie nakładów na nawożenie (zysk ekonomiczny) i mniejsze prawdopodobieństwo rozpraszania składników w środowisku (korzyść ekologiczna). Środowiskowa funkcja próchnicy przejawia się także w trwałym wiązaniu toksykantów, w tym metali ciężkich.

Dodatnie działanie kwasów próchnicznych ujawnia się w odniesieniu do przyswajalności fosforu. Wiemy przecież doskonale, że aniony fosforanowe pochodzące z gleby lub z nawozów łatwo ulegają uwstecznianiu łącząc się z kationami wapnia, żelaza lub glinu. W ten sposób tworzą się trudno rozpuszczalne związki fosforu. Kwasy próchniczne wiążąc wymienione aniony zmniejszają prawdopodobieństwo uwstecznienia fosforu. Ta informacja powinna szczególnie zainteresować producentów nawozów (ściślej doradców w firmach nawozowych) oraz rolników, którzy na co dzień borykają się z problemami związanymi z fosforem. Graficzna interpretacja procesów, o których mowa znajduje się na poniższej rycinie (rycina 5).

Rycina 5. Efekt próchniczny – zwiększenie przyswajalności fosforu

Niedocenianym problemem w produkcji roślinnej jest tzw. stabilność gleby czyli przeciwstawianie się gwałtownym zmianom odczynu lub zasobności w składniki mineralne. Fachowo nazywa się to zdolnością buforową. W glebie występują różne mechanizmy buforowe lecz jednym z ważniejszych i najbardziej efektywnych jest mechanizm związany z obecnością humusu czyli próchnicy. Kończąc wątek dotyczący chemicznych właściwości gleb nie sposób zapomnieć o żywieniowej funkcji próchnicy. Gdy byłem jeszcze studentem w jednym ze starszych podręczników napisano, że próchnica jest „rezerwuarem” składników pokarmowych. To prawda. Związki próchniczne ulegając rozkładowi dostarczają do gleby różne składniki, zwłaszcza azot, fosfor i siarkę. Rozkład ten nie odbywa się samoistnie lecz przy aktywnym udziale mikroorganizmów.

W ten sposób znaleźliśmy się w obszarze właściwości biologicznych gleb. Świeża materia organiczna dostarczona do gleby jest materiałem energetycznym dla mikroorganizmów glebowych. Związki organiczne o różnorodnej budowie stanowią więc o liczebności i aktywności bakterii żyjących w glebie. Posłużę się jednym z licznych przykładów z literatury (Aleksander 1977): liczba bakterii w 1 kg gleby kontrolnej o pH 6,5 wynosiła około 7 700, natomiast gdy do tej samej gleby dodano materiał organiczny (celuloza) ilość bakterii wzrosła do 18 000. Może będzie jeszcze kiedyś okazja by szczegółowo umówić rolę tych organizmów w produkcji roślinnej, proszę mi wierzyć byłoby o czym pisać. Na tą chwilę powiedzmy tylko tyle – bez mikroorganizmów nie możliwe byłyby rozkład świeżej materii organicznej i synteza z produktów rozkładu nowej jakości czyli próchnicy glebowej.

CO MOŻE BYĆ ŹRÓDŁEM PRÓCHNICY?

Na koniec najważniejsze – odpowiedzmy w jaki sposób rolnik może wpływać na zawartość próchnicy w glebie. Najpierw ważna informacja, choć dla niektórych pewnie trudna do zaakceptowania. Każda gleba ma pewien określony, możliwy do osiągnięcia poziom próchnicy. Nie wchodząc w szczegóły zależy to od warunków w jakich powstała gleba, skały macierzystej, klimatu. Trudno zatem spodziewać się w glebie piaszczystej (sklasyfikowanej jako gleba płowa) poziomu 3% węgla organicznego. Pewne modyfikacje wyjściowej zawartości próchnicy (wynoszącej na przykład 1,5% Corg.) są oczywiście możliwe lecz nawet przy wyraźnie dodatnim saldzie wprowadzonej materii organicznej przez kilka kolejnych lat nieosiągalny będzie wspomniany wyżej poziom 3%. W gospodarce materią organiczną najważniejsza jest profilaktyka. To trochę tak jak w medycynie – pierwsza zasada, nie szkodzić. Przykładając to na język rolniczy – pierwsza zasada, nie dopuścić do zmniejszenia zasobów próchnicy w glebie.

Naturalnym źródłem próchnicy są resztki roślinne, pozostające na polu po zbiorze rośliny uprawnej. I tu poruszamy ważną kwestię doboru roślin. Wieloletnie badania prowadzone już dość dawno między innymi w byłej NRD (tak, tak był kiedyś taki kraj), później kontynuowane w innych krajach pokazały, że z punktu widzenia bilansu materii organicznej rośliny możemy podzielić co najmniej na trzy grupy:

• silnie zubażające glebę w materię organiczną: okopowe – ziemniaki, buraki cukrowe;
• wpływające negatywnie na bilans próchnicy: rośliny ziarnkowe – zboża, rzepak;
• wpływające dodatnio na bilans próchnicy: rośliny bobowate (dawniej motylkowe), trawy i ich mieszanki.

Wystarczy prześledzić płodozmian w naszym gospodarstwie i odpowiedź odnośnie bilansu próchnicy nasunie się sama. W tym miejscu jedna bardzo ważna uwaga: powyższa klasyfikacja obejmuje sytuację, gdy z pola zbierany jest zarówno plon główny (korzenie buraków, bulwy ziemniaków, ziarno, nasiona) jak i plon uboczny (liście buraków, słoma).

Jak wynika z zamieszczonego podziału niedocenianym elementem zmianowania są rośliny bobowate. Ta grupa roślin rozwijając głęboki, dobrze rozbudowany system korzeniowy pozostawia na polu ogromną masę organiczną w postaci resztek korzeniowych, stanowiących substrat do tworzenia próchnicy. Co więcej, jest to masa organiczna o względnie dużej zawartości azotu (wąski stosunek C:N), zatem łatwo poddająca się aktywności mikroorganizmów. O dużej biomasie produkowanej przez trawy nie trzeba chyba nikogo przekonywać. Orientacyjne ilości masy organicznej pozostającej na polu po zbiorze roślin zamieszczono w tabeli 2.

Tabela 2.

Dotknęliśmy zatem pierwszego etapu profilaktyki – doboru uprawianej rośliny. Pozostając jeszcze w tym zagadnieniu, kolejna kwestia – plon uboczny. Na ten temat napisano już bardzo wiele. Wiem, że pewnie narażę się niektórym zwolennikom produkcji energii z biomasy ale uważam, że o ile to tylko możliwe słoma (bez względu na gatunek uprawianej rośliny) powinna pozostać na polu. To jest inwestycja, która nazywa się żyzność gleby. Poza aspektem próchnico-twórczym dodatkową korzyścią takiego postępowania jest wprowadzenie do gleby dużych ilości potasu. Pamiętajmy, że zawartość potasu w słomie jest zwykle co najmniej dwukrotnie większa niż azotu. Podobny sposób oceny dotyczy liści buraczanych i nawozów zielonych (biomasa organiczna uprawiana na przyoranie).

Przyznam, że zdarza mi się na wykładzie lub na spotkaniu z rolnikami wywołać konsternację gdy stwierdzę, że jednym z czynników zwiększających pośrednio zawartość próchnicy w glebie jest nawożenie mineralne. Na pozór wątpliwości wydają się oczywiste – w jaki sposób granula Lubofosu, Lubofoski czy superfosfatu prostego może spowodować przyrost materii organicznej w glebie? Po chwili zastanowienie odpowiedź staje się jednak prosta – każdy z tych nawozów z założenia spowoduje przyrost plonu, a to oznacza przecież więcej resztek pożniwnych, o plonie ubocznym nie wspominając. Rzecz jasna podane wyżej przykłady nawozów mineralnych to nie jedyne opcje:).

W tym miejscu nie wypada zapomnieć o oborniku, choć z drugiej strony o walorach tego nawozu nie trzeba chyba nikogo przekonywać. Na wszelki wypadek podkreślę jednak, że plonotwórcze znaczenie obornika wynika nie tylko ze korzystnego wpływu na bilans próchnicy, co jest tematem niniejszego artykułu lecz także z funkcji żywieniowej – źródło wszystkich (!!!) niezbędnych makroskładników i mikroelementów. Porównując działanie próchnico-twórcze obornika i słomy możemy odwołać się do danych zawartych w Kodeksie Dobrej Praktyki Rolniczej, z których wynika, że tzw. współczynnik reprodukcji materii organicznej dla 10 t słomy (+1,8) jest ponad dwukrotnie większy niż w przypadku tej samej ilości obornika (+0,7).

Pozostaje jeszcze kwestia szybkości działania nawozu naturalnego, organicznego lub resztek roślinnych czyli podatności na rozkład mikrobiologiczny. Jak zaznaczyłem wcześniej to zależy od relacji węgla do azotu (C:N) w materiale roślinnym. Przykładowo słoma ma szeroki stosunek C:N (około 90:1) dlatego rozkłada się wolno. Doświadczony rolnik wie, że w takim przypadku warto zastosować kilka kg azotu mineralnego na 1t słomy (forma nawozu ma tu mniejsze znaczenie), po to by zawęzić wartość C:N. Z kolei w świeżej biomasie roślinnej bobowatych lub w przefermentowanym oborniku stosunek C:N wynosi tylko 30:1 i dlatego dodatnich efektów przyorania tych nawozów można spodziewać się szybciej.

Zapamiętajmy jednak, że tylko systematyczna troska rolnika o bilans próchnicy może prowadzić do poprawy produktywności gleby, przy czym efektów należy spodziewać się najwcześniej po kilku latach.