Soil Organic Carbon Masterclass

A talaj szerves szén a talaj egyik legfontosabb biológiai összetevője. A Talaj Szerves Szén Tanfolyam ezen leckéjében megvitatjuk, hogy mi is valójában a talaj szerves szén és annak összetevői.

First watch the video and then read the supplementary material for more information. 

Fontos Tanulságok:

• A talaj a mállott kőzet és a lebomlott szerves anyag kombinációjából áll.
• Soil Organic Matter is decomposed material that was once living. 
• There are five types of soil carbon, they are Soluble Organic Matter, Living Organisms, Fresh Residue, Humus and Resistant Organic Matter.  

Micsoda a talaj?

Az ásványi szénhidrogén megismerése előtt fontos megérteni, hogy mi is valójában a talaj. Minden talaj valamilyen szülő kőzetanyagból indul ki. A szülő kőzet tartalmazhatja:

• Üledékes kőzet: A kőzet, amely akkor képződik, amikor a üledékeket nagy nyomás alatt összenyomják, jellemzően tavak és óceánok alatt. Ezeket a kőzeteket a föld felszínére emelik a felemelkedés során, szárazföldet képezve. Néhány példa az üledékes kőzetekre a homokkő, a mészkő és a palágy.
• Metamorf kő: Ez a kőzet más típusú kőzetként kezdődik, de fizikailag és kémiailag megváltozik, amikor ezeket a köveket magas hőmérsékletnek és nyomásnak teszik ki. A szélsőséges körülmények miatt az új kőzet teljesen különbözik az eredeti kőzettől. A metamorf kőzet példái közé tartozik a márvány és a pala.
• Magmás Kőzet: Ez a kőzet kristályosodott és megszilárdult olvadt kőzetből származik. Ez vagy a Föld felszínén, vagy a Föld felszíne közelében történhet, majd a felszín felé emelkedik. Néhány példa: bazalt és gránit. 

Idővel ezek a kövek időjárásnak vannak kitéve, így minden apró részecske leválik a kőről, ez alkotja a talaj részecskéinket (agyag, iszap és homok). A mállást fizikai mállás, kémiai mállás vagy biológiai mállás okozhatja. A különböző részecskék gyűjteménye alkotja a talajunk ásványi összetevőjét. 

A talaj ásványi összetevője a talaj térfogatának körülbelül 45%-át teszi ki, míg a víz és a levegő együttesen 50%-ot képvisel. Ezt pórustérként emlegetik. A fennmaradó 5%-os térfogat a talaj szerves anyaga.

A talaj szerves anyaga fontos a stabil aggregátumok kialakításához, ahogyan az az alábbi ábrán is látható. A talajnak tartalmaznia kell pórusos területeket, ásványokat, gyökereket, szerves anyagot és mikrobákat.

Mi az a talaj szerves anyag?

A talaj szerves anyaga (SOM) olyan egykori élő anyagként van definiálva, amely lebomlott. A talaj szerves anyaga magában foglalja az összes elemet, amely ebben az anyagban található, beleértve a nitrogént, a ként, az oxigént, a hidrogént és még sok mást. A talaj szerves anyaga a következő csoportokra osztható:

Oldott Szerves Anyag (SOM 5%-a)

Ez a talajoldatban oldott szerves szénvegyületek frakciójára utal. Ez egy változatos szerves molekulákból áll, beleértve a cukrokat, aminosavakat, szerves savakat, fehérjéket és huminsavakat, többek között. A DOM elsősorban növényi és állati maradványok lebomlásából, mikrobiális aktivitásból, gyökér kiválasztásból és szerves inputokból származik.

A feloldott szerves anyag kulcsszerepet játszik a talajban, mivel energia- és tápanyagszolgáltatóként működik a mikrobiális közösségek számára, támogatva a mikrobiális növekedést, anyagcserét és a szerves anyag forgását. A feloldott szerves anyagok nagyon gyorsan lebomlanak, néhány perctől napokig terjedő időtartam alatt, ami azt jelenti, hogy néhány naponként újra kell őket pótolni. Ezért fontos, hogy mindig legyen egy növekvő gyökér a talajban, hogy biztosítsuk, hogy a gyökér kiválasztódások feltöltik a talaj szénkészletének ezt a részét..

Friss Maradvány (SOM 10%-a)

A friss maradványok olyan nemrégiben hozzáadott vagy részben lebomlott szerves anyagokat jelentenek, amelyek növényi és állati maradványokból származnak. Ez a maradványok felismerhető növényi vagy állati szövetekből állnak, mint például levelek, szárak, gyökerek és állati trágya, amelyek korlátozott lebomláson mentek keresztül a talajba való bekerülésük óta..

A friss maradványok kulcsszerepet játszanak a szerves szén és tápanyagok biztosításában a talajmikrobák számára, táplálva a lebomlás és a tápanyagciklus folyamatainak kezdeti szakaszait. Ahogy a friss maradványok lebomlanak, labilis szerves vegyületeket bocsátanak ki, mint például cukrok, aminosavak és egyszerű szénhidrátok, amelyek energiaforrásként szolgálnak a talajmikrobák számára, és serkentik a mikrobiális aktivitást és növekedést.

A friss maradványok lebomlását különböző talajorganizmák segítik, beleértve a baktériumokat, gombákat, protozoákat és a talaj makrofaunát, amelyek enzimes reakciók és anyagcsere-folyamatok révén bontják le a komplex szerves molekulákat egyszerűbb vegyületekké. Ahogy a lebomlás előrehalad, a friss maradványok részecskés szerves anyaggá alakulnak, hozzájárulva a talaj szerves szén felhalmozódásához és a talajaggregátumok képződéséhez. A friss maradványok folyamatosan hozzáadódnak a talajhoz különböző természetes folyamatok révén, mint például az avarhullás, a gyökérforgás és az állati aktivitás, valamint mezőgazdasági gyakorlatok, beleértve a növényi maradványokat, a takarónövényeket és az organikus trágyázást.. 

A friss maradványok forgási ideje 2 évtől kezdődhet, ha magas nitrogéntartalmú maradványokról van szó (például hüvelyesek vagy trágya), és potenciálisan akár 50 évig is terjedhet a magas széntartalmú maradványok, például a keményfa esetében..

Élő Organizmok (SOM 10%-a)

A élő organizmusok a talaj ökoszisztémáiban élő mikroszkopikus életformák sokféleségére utalnak. Ezek a szervezetek alapvető szerepet játszanak az szerves anyag lebontásában, a tápanyagok körforgásában, a talaj termékenységében és az ökoszisztéma működésében. A talaj szerves anyagában jelen lévő élő organizmusok közé tartoznak:

1. Baktériumok: A baktériumok mindenhol jelen vannak a talajban, és ők a legszámtalanabb és legváltozatosabb mikroorganizmus-csoport. Lényeges szerepet játszanak a tápanyagok körforgásában, az organikus anyagok lebontásában, a nitrogénkötésben és a betegségek elnyomásában. Bizonyos baktériumfajok szimbiotikus kapcsolatokat alakítanak ki a növényekkel, segítve a tápanyagfelvételt és a növények növekedését..
2. Gombák: A gombák a talajmikrobák egy másik fő csoportját képezik, beleértve a szaprofit gombákat, amelyek lebontják az szerves anyagot, és a mikorrhizás gombákat, amelyek kölcsönös kapcsolatokat alakítanak ki a növények gyökereivel. A mikorrhizás gombák elősegítik a tápanyagok felvételét a növények által, különösen a foszfort, cserébe a gazdanövény szénvegyületeiért. A gombák hozzájárulnak a talaj aggregációjához és szerkezetének kialakulásához.
3. Archaea: Az archaea egysejtű mikroorganizmusok, amelyek különböző környezetekben élnek, beleértve a talajt is. Részt vesznek a nitrogén körforgásában, a metán oxidációjában és más biogeokémiai folyamatokban, hozzájárulva a talaj termékenységéhez és az ökoszisztéma stabilitásához.
4. Protozoák: A protozoák mikroszkopikus, egysejtű organizmusok, amelyek baktériumokkal, gombákkal és más szerves anyagokkal táplálkoznak a talajban. Szerepet játszanak a tápanyagok körforgásában, a mikrobás ragadozásban és a talaj élelmiszerháló dinamikájában..
5. Nematódák: A nematódák kicsi, többsejtű állatok, amelyek a talajban élnek és különféle ökológiai szerepeket töltenek be. Néhány nematód hasznos ragadozója a növényi parazita nematódáknak és más talajkártevőknek, míg mások lebontók vagy baktériumokkal és gombákkal táplálkoznak..

Humusz (a SOM 60%-a)

A humusz egy összetett, amorf szerves anyag, amely a talaj szerves anyagának jelentős összetevőjét képezi. Ez a növényi és állati maradványok talajmikrobák általi lebomlásának végterméke, amely a humifikáció néven ismert folyamaton megy keresztül. A humusz sötétbarna és fekete színéről, szivacsos textúrájáról és magas szén-tartalmáról ismert..

A humusz kulcsfontosságú jellemzői közé tartozik:

1. Stabilitás: A humusz viszonylag stabil és ellenáll a további lebomlásnak, hosszú ideig, évtizedektől évszázadokig tartó időszakokban megmarad a talajban. Stabilitása a mikrobiális és kémiai folyamatok révén kialakuló összetett, ellenálló szerves vegyületek képződésének tulajdonítható.
2. Kémiai összetettség: A humusz különféle szerves molekulákból áll, beleértve a huminsavakat, fulvinsavakat és humint. Ezek a vegyületek eltérnek molekuláris méretükben, szerkezetükben és oldhatóságukban, befolyásolva kölcsönhatásaikat a talaj ásványi anyagaival, tápanyagaival és mikroorganizmusokkal..
3. Táplálóanyag Megtartás és Kibocsátás: A humusz magas kationcsere-képességgel (CEC) rendelkezik, lehetővé téve számára, hogy adszorbeálja és megtartsa a létfontosságú tápanyagokat, mint például a kalciumot, magnéziumot, káliumot és nyomelemeket. Ezenkívül a humusz nitrogén, foszfor és kén tárolójaként is szolgál, fokozatosan felszabadítva ezeket a tápanyagokat mineralizáció és mikrobiális aktivitás révén, ezáltal támogatva a növények növekedését és a talaj termékenységét.
4. Talajstruktúra javítása: A humusz alapvető szerepet játszik a talaj aggregációjában, stabilizálásában és szerkezetének kialakításában. Kötőanyagként működik, elősegítve a stabil talajaggregátumok és pórusok kialakulását, ami javítja a talaj porozitását, a víz beszivárgását és a gyökér behatolását. A humusz emellett javítja a talaj szellőzését, vízelvezetését és ellenállását a tömörödésnek..
5. Biológiai aktivitás: A humusz élőhelyet és alapanyagot biztosít a különböző talajorganizmák számára, beleértve a baktériumokat, gombákat, protozoákat és földigilisztákat. Ezek a szervezetek kölcsönhatásba lépnek a humusszal, hozzájárulva annak lebontásához, tápanyagciklusához és mikrobiális biomassza termeléséhez. A humusz emellett támogatja a talajmikroorganizmusok és a növényi gyökerek közötti szimbiotikus kapcsolatokat, megkönnyítve a tápanyagfelvételt és a növények növekedését.

A humusz a talaj szerves anyagának legbiológiailag aktívabb és legelőnyösebb összetevőjének számít, mélyreható hatással van a talaj termékenységére, az ökoszisztéma működésére és a környezeti fenntarthatóságra. A humusz jellemzően 10 évtől 100 évig terjedő forgási idővel rendelkezik..

Rezisztens Szerves Anyag (SOM 15%-a)

A rezisztens szerves anyag, más néven refrakter szerves anyag, a talaj szerves anyagának egy része, amely magas ellenállást mutat a lebomlással szemben, és hosszú időn keresztül, évszázadoktól évezredekig megmarad a talajban. A labilisabb szerves vegyületekkel ellentétben a rezisztens szerves anyag minimális mikrobiális lebomláson megy keresztül, és viszonylag stabil marad különböző környezeti feltételek mellett..

A rezisztens szerves anyag kulcsfontosságú jellemzői a következők:

1. Kémiai Stabilitás: A rezisztens szerves anyag összetett, ellenálló szerves vegyületekből áll, amelyek rendkívül ellenállóak a mikrobiális és enzimatikus lebontással szemben. Ezek a vegyületek gyakran gazdagok aromás szerkezetekben, mint például a lignin, és jelentős kémiai átalakulásokon mentek keresztül, ami csökkenti a mikrobiális támadásra való hozzáférhetőségüket.
2. Fizikai védelem: A rezisztens szerves anyag fizikailag védetté válhat a talajaggregátumokban, ásványi felületeken vagy organo-minerális komplexekben, ahol védve van a mikrobiális aktivitástól és a lebomlástól. Ez a fizikai védelem megakadályozza a szerves vegyületek gyors lebomlását, és hozzájárul a rezisztens szerves anyag hosszú távú fennmaradásához a talajban.
3. Környezeti Feltételek: A rezisztens szerves anyagot környezeti tényezők befolyásolják, mint például a talaj textúrája, pH, nedvesség, hőmérséklet és redox körülmények. Ezek a tényezők hatással lehetnek a lebomlás sebességére és mértékére, bizonyos környezetek pedig elősegítik a rezisztens szerves anyag hosszú távú megőrzését..
4. Források: A rezisztens szerves anyag különböző forrásokból származik, beleértve a fás növényi szöveteket, lignifikált maradványokat, szenet és mikrobiális melléktermékeket. Ezek az anyagok összetett szerves vegyületeket tartalmaznak, amelyek ellenállnak a lebomlásnak kémiai összetételük és fizikai jellemzőik miatt..
5. Fontosság: A rezisztens szerves anyag hozzájárul a talaj szénmegkötéséhez, a hosszú távú talajtermékenységhez és a szénciklushoz a szárazföldi ökoszisztémákban. Bár a teljes talajszerves anyag viszonylag kis hányadát képviseli, a rezisztens szerves anyag kulcsszerepet játszik a talajszerkezet, a vízmegtartás és a tápanyagok rendelkezésre állásának fenntartásában geológiai időskálákon..

Részecskés, Labilis és Stabil Talaj Szerves Anyag

A részecskés szerves anyag magában foglal minden olyan szerves anyagot, amelynek azonosítható szerkezete van, ideértve a friss maradványokat és az élő organizmusokat.

A labilis szerves anyag olyan szerves anyagokat foglal magában, amelyek mikroorganizmusok számára energiaforrásként használhatók, ezt aktív szénnek is nevezik. A mikroorganizmusok képesek ezt a szerves anyagot táplálékként felhasználni tevékenységükhöz, növekedésükhöz és fejlődésükhöz. Ez magában foglalja a részecskés szerves anyagot, valamint az oldott szerves anyagot is.

A stabil szerves anyag rendkívül ellenálló a mikrobiális bomlással és oxidációval szemben, ezért nem megy tovább bomlásnak. Ez a szerves anyag fontos a talaj általános termékenysége szempontjából, és magában foglalja az ellenálló szerves anyagot és a humuszt.

Humusz

A humusz egy összetett, amorf szerves anyag, amely a talaj szerves anyagának jelentős összetevőjét képezi. A humifikáció folyamatán keresztül keletkezik, ahol a mikorrhizás gombák a gyökérkiválásokból hosszú szénkomplexumokat alakítanak át. A humusz sötétbarna és fekete színéről, szivacsos textúrájáról és magas széntartalmáról ismert.

A humusz kiemelkedő fontossággal bír a talaj és az ökoszisztéma egészségében több okból is:

1. Talajtermékenység: A humusz alapvető tápanyagok, például nitrogén, foszfor, kálium, kén és nyomelemek tárolójaként szolgál. Lassú tápanyag-leadás forrásaként működik, fokozatosan bocsátva ki őket, ahogy lebomlik, ezáltal elősegítve a növények növekedését és termelékenységét. A humusz emeli a talajok kationcsere-képességét (CEC), lehetővé téve számukra, hogy hatékonyabban tartsák meg és cseréljék ki a tápanyagokat..
2. Talajstruktúra és aggregáció: A humusz kulcsszerepet játszik a talaj aggregációjában és szerkezetének kialakításában. Kötőanyagként működik, elősegítve a stabil talajaggregátumok és pórusterek kialakulását. Ez javítja a talaj porozitását, a víz beszivárgását és a gyökér behatolását, miközben csökkenti a talajeróziót, a tömörödést és a felszíni vízlefolyást. A humusz hozzájárul a talaj stabilitásához és a degradációval szembeni ellenálló képességéhez, fokozva a talaj termékenységét és termelőképességét..
3. Vízmegtartás és Drainage: A humusz javítja a talaj vízmegtartó képességét és vízelvezetését a talajszerkezet javításával és a vízmegtartó kapacitás növelésével. Segít fenntartani az optimális talajnedvességi szinteket a növények növekedéséhez, csökkentve a szárazság stressz és a vízbefolyás kockázatát. A humusz csökkenti a felszíni kéregképződést és tömörödést is, lehetővé téve, hogy a víz könnyebben behatoljon a talajba, és csökkenti a vízlefolyást és az eróziót..
4. Táplálék körforgás: A humusz kulcsszerepet játszik a tápanyagok körforgásában és az szerves anyagok lebomlásában az ökoszisztémákban. Alapanyagot biztosít a talajmikrobák számára, energiát és tápanyagokat nyújtva a mikrobiális növekedéshez és aktivitáshoz. A mikrobák lebontják a humuszt, tápanyagokat szabadítva fel a talajban, amelyeket a növények felvesznek és újrahasznosítanak az ökoszisztémában. Ez a tápanyagfelvétel, lebontás és újrahasznosítás ciklusa elengedhetetlen a talaj termékenységének és az ökoszisztéma termelékenységének fenntartásához.
5. Szén-dioxid megkötés: A humusz jelentős szerves szén tároló a szárazföldi ökoszisztémákban, hozzájárulva a szén megkötéséhez és a klímaváltozás mérsékléséhez. Azáltal, hogy a szenet stabil szerves vegyületekben tárolja, a humusz segít mérsékelni a légköri szén-dioxid, egy jelentős üvegházhatású gáz, felhalmozódását. A humusz felhalmozódásával a talaj szerves szénszintjének növelése fokozhatja a talaj szénmegkötését, és hozzájárulhat a klímaváltozás alkalmazkodási és mérséklési erőfeszítéseihez..

A humusz három különböző csoportra osztható a oldhatóság függvényében, ezeket huminsavaknak hívják:

Huminsav: A huminsav a humusz azon frakciója, amely savas oldatokban (pH < 2) oldhatatlan, de lúgos oldatokban (pH > 2) oldható. Nagy, magas molekulatömegű molekulákból áll, amelyek összetett szerkezetűek, gazdagok szénben, hidrogénben, oxigénben és nitrogénben. A huminsav hozzájárul a talaj termékenységéhez, a kationcsere kapacitáshoz és a tápanyagok megőrzéséhez..

Fulvinsav: A fulvinsav a humusz azon frakciója, amely mind savas, mind lúgos oldatokban oldódik. Kisebb, alacsonyabb molekulatömegű molekulákból áll, mint a huminsav, és magas oldhatóságával és mobilitásával jellemezhető a talajban. A fulvinsav alapvető szerepet játszik a tápanyagok szállításában, chelátképzésben és a növények felvételében, valamint a talaj aggregációjában és szerkezetének javításában..

Humin: A humin a humusz azon frakciója, amely sem savas, sem lúgos oldatokban nem oldódik. A humusz legstabilabb és legellenállóbb szerves vegyületeit tartalmazza, beleértve a magas polimerizáltságú anyagokat, mint a lignin és a melanin. A humin hozzájárul a talaj aggregációjához, a vízmegtartáshoz és a szén tárolásához, hosszú távú stabilitást biztosítva a talaj szerves anyagának..

Humátok: A humátok huminsavak, amelyek ásványi anyagokkal, például vassal, rézzel, cinkkel, kalciummal, mangánnal, magnéziummal, káliummal és másokkal kötődtek. Ezek jellemzően a COOH vagy COH helyeken kötődnek a huminsavhoz. 

A humátok számos jótékony hatással bírnak a talajra és a növények egészségére, beleértve:

• Javított Talajszerkezet: A humátok javítják a talaj aggregációját, porozitását és vízmegtartását, ami jobb talajszerkezetet és szellőzést eredményez..
• Megnövekedett Tápanyag Elérhetőség: A humátok kelátot képeznek és komplexálják a létfontosságú tápanyagokat, mint például a nitrogén, foszfor, kálium és nyomelemek, ezáltal jobban elérhetővé téve őket a növények számára.
• Serkentett Növény Növekedés: A humátok elősegítik a gyökérnövekedést, a tápanyagfelvételt, valamint a növények általános növekedését és fejlődését, ami egészségesebb és életerősebb növényeket eredményez..
• Javított Stressztűrés: A humátok fokozzák a növények ellenállását az abiotikus stresszfaktorokkal, mint például a szárazság, a sótartalom, a hőség és a hideg, azáltal, hogy javítják a növény vízviszonyait és élettani folyamatait.
• Fokozott Mikrobiális Tevékenység: A humátok serkentik a jótékony talajmikrobiális aktivitást, beleértve a jótékony baktériumok és gombák szaporodását, amelyek hozzájárulnak a tápanyagok körforgásához, az szerves anyag lebontásához és a betegségek elnyomásához..