Materia organiczna, substancja organiczna i próchnica glebowa – co jest czym i jaką pełni rolę?

4 godzin temu

Zdjęcie: Materia organiczna

Choć terminy materia organiczna, substancja organiczna i próchnica glebowa często używane są zamiennie, oznaczają różne składniki gleby i pełnią odmienne funkcje. Ich precyzyjne rozróżnienie ma najważniejsze znaczenie dla zrozumienia procesów glebotwórczych, planowania działań poprawiających jakość gleb oraz skutecznego zarządzania ich żyznością w zrównoważonym rolnictwie.

Kluczowe pojęcia i istotne różnice

W dyskusjach na temat kształtowania, poprawy żyzności i zdrowotności gleb często spotykamy się z pojęciami „materia organiczna”, „substancja organiczna” oraz „próchnica glebowa”. Niestety, bardzo często terminy te bywają stosowane zamiennie, co może prowadzić do nieporozumień i błędnych wniosków dotyczących gospodarowania glebą, interpretacji obserwowanych w niej przemian oraz podejmowanych działań agrotechnicznych. Choć wszystkie pojęcia odnoszą się do organicznych składników, różnią się one zakresem i funkcją. Ich precyzyjne rozróżnienie jest najważniejsze dla zrozumienia procesów glebotwórczych oraz skutecznego planowania działań poprawiających jakość gleb (rys. 1). Nieprecyzyjne używanie tych terminów może skutkować nie tylko błędami w teorii, ale także w praktyce rolniczej. W efekcie podejmowane działania mogą nie przynosić oczekiwanych rezultatów, a wręcz przyczyniać się do degradacji gleby.

W tym miejscu warto przytoczyć pierwszy, najczęściej dyskutowany przypadek: czy dodatek świeżej materii organicznej zawsze oznacza wzrost zawartości próchnicy? Intuicyjnie wydaje się, iż tak – jednak procesy rozkładu, humifikacji i mineralizacji zachodzą w różnym tempie i są zależne od wielu czynników, takich jak warunki siedliskowe, aktywność mikroorganizmów czy struktura gleby.

Kolejnym zagadnieniem wartym uwagi jest zrozumienie procesów przemian glebowej materii organicznej oraz ich wpływu na długoterminową żyzność gleby. To właśnie od tych procesów zależy, czy substancje organiczne ulegną stabilizacji i będą długotrwale wzbogacać glebę, czy też ulegną szybkiemu rozkładowi i zostaną utracone w postaci dwutlenku węgla.

Próchnica to podstawa. Bez materii organicznej nie ma życia i plonów! Prof. Bartłomiej Glina tłumaczy. [SPRAWDŹ!]

Glebowa materia organiczna

Wszystkie występujące w glebie związki pochodzenia organicznego – i roślinnego, i zwierzęcego – które są zbudowane głównie z węgla organicznego, nazywamy glebową materią organiczną. Obejmuje ona zarówno składniki w stanie świeżym, jak i te poddane różnym etapom rozkładu (mineralizacja) oraz humifikacji. Do materii organicznej zaliczamy żywe organizmy zasiedlające glebę (tzw. edafon), w tym bakterie, grzyby, pierwotniaki, nicienie czy dżdżownice, a także obumarłe szczątki organiczne oraz produkty ich przemian biochemicznych. To szerokie pojęcie obejmuje całość organicznych substancji obecnych w glebie, niezależnie od ich stopnia przetworzenia.

Substancja organiczna

Termin substancja organiczna odnosi się wyłącznie do obumarłych składników organicznych obecnych w glebie – od świeżych, nierozłożonych resztek roślinnych i zwierzęcych po bardziej zaawansowane produkty rozkładu i resyntezy. Oznacza to, iż substancja organiczna nie obejmuje żywych organizmów glebowych, a jedynie ich martwe szczątki oraz pochodne produkty ich degradacji. Występuje w glebie w różnorodnej postaci morfologicznej – od dobrze rozpoznawalnych fragmentów roślinnych po związki organiczne bez określonej struktury, powstające w wyniku długotrwałych przemian biochemicznych.

Próchnica glebowa

Najbardziej przekształconą i stabilną formą substancji organicznej jest próchnica glebowa, zwana także substancją próchniczną. Stanowi ona bezpostaciową, ciemno zabarwioną frakcję organiczną, będącą końcowym efektem procesu humifikacji, czyli syntezy nowych, trwałych związków organicznych przez mikroorganizmy glebowe. Substancje próchniczne można podzielić na swoiste i nieswoiste (rys. 2). Do swoistych substancji próchnicznych zaliczamy substancje o dużej masie cząsteczkowej jak kwasy huminowe, kwasy fulwowe oraz huminy, natomiast do nieswoistych substancji próchnicznych należą związki organiczne o dobrze poznanej strukturze chemicznej, tj. węglowodany, tłuszczowce, aminokwasy, lignina oraz garbniki.

Co w glebie piszczy?

Materia organiczna jako całość jest kluczowym elementem fazy stałej gleby, wpływającym na adekwatności fizyczne, chemiczne i biologiczne gleb. Jej obecność warunkuje strukturę gleby (kształtowanie warunków powietrzno-wodnych), zwiększa jej pojemność wodną oraz wspomaga procesy sorpcji i wymiany jonowej. Glebowa materia organiczna składa się głównie z węgla organicznego (40-60%), a także tlenu (30-50%), wodoru (3-8%), azotu (1-5%), oraz niewielkich ilości (0,1-4%) siarki i fosforu. Wszystkie wymienione składniki odgrywają istotną rolę w cyklach biogeochemicznych. Jak wspomniano wcześniej, materia organiczna w glebie występuje w różnych formach – od świeżych resztek roślinnych i zwierzęcych po produkty ich rozkładu oraz syntezy. W miarę przekształcania związków organicznych przez mikroorganizmy glebowe ich skład chemiczny staje się coraz bardziej złożony.

Ze względu na złożony charakter procesów zachodzących w środowisku glebowym szczegółowe wymienienie funkcji poszczególnych form materii organicznej w glebie byłoby dość karkołomne. Bez wątpienia należy podkreślić rolę glebowej materii organicznej jako źródło energii i składników pokarmowych dla mikroorganizmów glebowych (głównie dzięki zawartym w niej węglowodanom), co czyni ją głównym elementem stymulującym aktywność bakterii, grzybów i innych organizmów, które uczestniczą w cyklach biogeochemicznych, takich jak przemiany makro- i mikroelementów niezbędnych dla roślin. Jej obecność pozytywnie wpływa na powstawanie stabilnych połączeń z mineralną frakcją gleby, co sprzyja tworzeniu agregatów glebowych (rys. 3), poprawia stosunki powietrzno-wodne oraz zmniejsza podatność gleby na erozję.

Nieoceniona jest także rola materii organicznej, zwłaszcza próchnicy glebowej, w zwiększaniu zdolności retencyjnej gleby. Szacuje się, iż wzrost jej zawartości o 1% pozwala na zatrzymanie około 150 000 mł wody na hektarze. Ma to niebagatelne znaczenie w obliczu coraz częstszych długotrwałych susz i walki o każdą kroplę wody w ekosystemach rolniczych.

Kolejną istotną adekwatnością gleby zależną od zawartości materii organicznej jest termika gleby, czyli zdolność do pochłaniania, magazynowania i oddawania ciepła. Gleby bogate w materię organiczną (ciemna barwa) nagrzewają się szybciej i efektywniej wiosną, co stwarza korzystniejsze warunki dla kiełkowania nasion, wzrostu korzeni oraz ogólnej witalności roślin we wczesnych fazach wegetacji.

Zdolność gleby do okresowego zatrzymywania składników pokarmowych w wyniku sorpcji wymiennej to także efekt obecności próchnicy glebowej, która wraz z minerałami ilastymi tworzy swego rodzaju naturalny magazyn zwany kompleksem sorpcyjnym gleby. Jego pojemność w głównej mierze zależy od pojemności sorpcyjnej próchnicy, która wynosi od 200 do choćby 300 cmol(+)/kg gleby, znacząco przewyższając zdolności sorpcyjne minerałów ilastych (10-180 cmol(+)/kg gleby).

Omawiając zjawisko sorpcji wymiennej, należy bliżej przyjrzeć się składnikom próchnicy glebowej, tj. kwasom huminowym i fulwowym. Pierwsze z nich to wielkocząsteczkowe związki organiczne o ciemnym zabarwieniu, nadające glebie jej charakterystyczną barwę, natomiast kwasy fulwowe są lżejsze, bardziej mobilne i lepiej rozpuszczalne, dzięki czemu łatwiej wchodzą w interakcje ze składnikami pokarmowymi. Kwasy fulwowe zawierają znacznie więcej grup karboksylowych i fenolowych, które przy regulacji pH mają zdolność do zmiany ładunku elektrycznego na ujemny, co zwiększa dodatkowo pojemność kompleksu sorpcyjnego gleby. Niektóre składniki glebowej materii organicznej – jak ligniny czy garbniki – mogą wiązać metale ciężkie i substancje toksyczne, zmniejszając ich szkodliwość dla organizmów żywych, w tym dla roślin uprawnych.

Finalnie stabilna materia organiczna, czyli próchnica, stanowi istotny, długoletni magazyn węgla, wpływając na globalny bilans węgla i zmniejszając emisję CO₂ do atmosfery. Należy wspomnieć w tym miejscu o huminach, czyli najbardziej stabilnej frakcji próchnicy, odpornej na dalszy rozkład – to właśnie ich obecność warunkuje magazynowanie węgla w glebie przez długi czas. Jest to szczególnie istotne w kontekście szeroko dyskutowanego ograniczania emisji w sektorze rolniczym.

Materia organiczna czy próchnica – co analizować?

Podstawowym składnikiem materii organicznej gleby, podobnie jak próchnicy, jest węgiel organiczny. To właśnie analiza tego pierwiastka pozwala najdokładniej określić ilość materii organicznej w glebie, wykorzystując współczynnik 2. Oznacza to, iż jeżeli w badanej próbce gleby stwierdzono 1,5% węgla organicznego, to zawartość materii organicznej wyniesie 3%. Na tej samej podstawie można oszacować zawartość próchnicy glebowej, mnożąc otrzymany wynik przez współczynnik 1,724. W analizowanym przypadku daje to 2,59% próchnicy.

Chcąc wykazać pozytywny wpływ stosowanych praktyk (m.in. pozostawiania resztek pożniwnych, uprawy międzyplonów, stosowania uproszczeń uprawowych) na budowanie zasobów materii organicznej lub próchnicy w glebie, należy zastanowić się, który parametr dostarczy bardziej wiarygodnego obrazu w krótszej perspektywie czasowej (2–3 lata). Biorąc pod uwagę charakter budowy próchnicy glebowej oraz długość i złożoność procesu humifikacji, wydaje się, iż najbardziej wiarygodnym wskaźnikiem jest monitoring glebowej materii organicznej.

Aby potwierdzić to założenie, przeanalizujmy następujący przypadek: Próbka gleby pobrana z pola po zbiorze rośliny głównej (przy pozostawieniu resztek roślinnych na powierzchni i ich płytkim wymieszaniu z glebą) zostaje w laboratorium wysuszona i zmielona – bez usuwania widocznych świeżych fragmentów roślin. Czy na podstawie zawartości węgla organicznego oznaczonego w takiej próbce możemy obliczyć ilość próchnicy? Absolutnie nie, ponieważ próchnica glebowa to najbardziej przekształcona i stabilna forma substancji organicznej. choćby jeżeli z próbki usunięto by widoczne, większe fragmenty świeżych resztek roślinnych, wciąż zawierałaby ona węgiel organiczny obecny w komórkach mikroorganizmów glebowych oraz drobne, nieprzetworzone resztki organiczne.

Oznaczenie węgla organicznego zawartego wyłącznie w próchnicy glebowej wymaga czasochłonnej i kosztownej analizy frakcjonowania związków próchnicznych. Dlatego w monitorowaniu zmian w glebach uprawnych najczęściej powinno podawać się ogólną zawartość materii organicznej lub choćby ograniczyć się do oznaczenia całkowitej ilości węgla organicznego w glebie. Jest to istotny temat do dyskusji w kontekście przyszłej weryfikacji efektów wybranych praktyk stosowanych w ramach ekoschematu „Rolnictwo węglowe i zarządzanie składnikami odżywczymi”, realizowanego w Polsce od 2023 roku w ramach Wspólnej Polityki Rolnej.

Klasyfikacja gleby – węgiel organiczny kluczowy

Zawartość węgla organicznego w glebie to jeden z kluczowych wskaźników używanych do klasyfikacji gleb zarówno w systemach krajowych (Systematyka gleb Polski, Klasyfikacja gleb leśnych), jak i w systemach międzynarodowych, takich jak klasyfikacja WRB (World Reference Base for Soil Resources) czy amerykańska USDA Soil Taxonomy. Na jego podstawie w Polsce, zgodnie z obowiązującym wydaniem Systematyki Gleb Polski, wyróżnia się gleby mineralne oraz gleby organiczne.

Gleby mineralne (np. gleby brunatne, czarne ziemie, gleby płowe, gleby rdzawe) zawierają w poziomach próchnicznych poniżej 12% węgla organicznego, natomiast gleby organiczne (np. gleby torfowe, gleby murszowe, gleby limnowe, gleby ściółkowe) zawierają minimum 12% węgla organicznego (rys. 4). W przypadku gleb mineralnych zawartość węgla organicznego najczęściej mieści się w granicach od 1,5 do 3%. Z tego względu w typologii gleb wyróżnia się także gleby murszaste (od 3 do 6%) oraz gleby murszowate (od 6 do 12%), które zaliczane są do gleb mineralno-organicznych zawierających od 3 do 12% węgla organicznego.

Gleby organiczne, które pełnią funkcję naturalnych magazynów węgla, odgrywają kluczową rolę w regulacji bilansu węgla w ekosystemach. Ze względu na ich unikalne adekwatności oraz wrażliwość na degradację coraz częściej podejmuje się działania mające na celu ich ochronę i zrównoważone użytkowanie, zwłaszcza w kontekście zmian klimatycznych i rolnictwa regeneratywnego.

Prof. UPP, dr hab. Bartłomiej Glina