Zakwaszenie gleby to poważny problem, z którym zmaga się wielu rolników w Polsce. Toksyczny glin prowadzi do redukcji systemu korzeniowego roślin uprawnych, zakłócając tym samym gospodarkę wodą i azotem. Jak rozwiązać problem?

Żyzność gleby – dwie składowe

Odczyn jest tą cechą gleby, która kształtuje procesy zachodzące w środowisku naturalnym. Tak kluczowa rola odczynu wynika z tego, że ten czynnik, warunkujący procesy chemiczne w glebie (zwane geochemicznymi), określa warunki chemiczne i fizyczne bytowania w tym środowisku organizmów żywych, w tym roślin. W ostatecznym rozrachunku dotyka egzystencji człowieka. W rolnictwie, które zmieniło środowisko (ekosystemy naturalne) poprzez przekształcenie, ściślej wykarczowanie, lasów i zbiorowisk trawiastych w pola uprawne, odczyn gleby stał się jedną z dwóch podstawowych składowych żyzności gleby.

Drugą jest glebowy kompleks sorpcyjny (GKS, ryc. 1). Tylko łączna analiza obu tych składowych pozwala na poprawną ocenę wartości stanowiska, a tym samym jego przydatności do uprawy takiej, a nie innej rośliny. Oczywistym jest, że nie można prowadzić produkcji rolnej (chodzi o produkcję roślinną) bez uwzględniania klimatu. To warunki klimatyczne i aktualny stan żyzności gleby określają zakres uprawianych gatunków roślin i niezbędne rozwiązania technologiczne – dlatego w Polsce uprawia się buraki cukrowe, a w Brazylii trzcinę cukrową.

Dla obu tych gatunków czynnikiem warunkującym (zbierane) plony jest aktualny stan żyzności gleby. Trzeba więc stwierdzić, że stan odczynu gleby jest istotny dla osiąganych efektów gospodarczych.

Przyczyny zakwaszenia

Zakwaszenie gleby jest stanem wynikającym z nadmiernej akumulacji protonów (jony H+) w glebie w stosunku do jej potencjału neutralizującego. Im słabsza gleba, a takie dominują w Polsce, tym proces zakwaszenia przebiega szybciej, warunkując działanie nawozów azotowych. Tego, co wpływa na zakwaszenie gleby jest wiele, a do najważniejszych w warunkach glebowo-klimatycznych Polski należą:

1) opad atmosferyczny;

2) dynamika mineralizacji materii organicznej w glebie;

3) stosowanie nawozów azotowych: amonowych, amidowych (mocznik).

Opady atmosferyczne

W Polsce roczna suma opadów waha się w granicach 400 do 750 mm, lecz w ostatniej dekadzie była nie tylko bardzo zmienna w latach, lecz także w ciągu roku. Odczyn wody opadowej jest kwaśny (pH ≈ 5,6), a więc w glebie w sposób naturalny akumulują się jony H+. Znaczna część opadów wsiąka w glebę i może potencjalnie rozpuścić od 100 do 250 kg CaO/ha. Wymycie węglanów następuje w okresie jesienno-zimowym, lecz pod warunkiem pełnego wysycenia profilu glebowego wodą. Zjawisko to wystąpiło w sezonie 2023/2024, lecz już w 2014/205 było incydentalne.

W glebie uprawnej jony H+ podlegają neutralizacji w obecności wolnych węglanów (proces ten zachodzi w glebie o pH 6,6-8,5). Węglany ulegają rozpuszczeniu, a następnie są przemieszczane w glebie i zostaną wymyte, gdy osiągną poziom wodonośny:

CaCO3 + H+ + HCO3─ Ca(HCO3)2

W następstwie postępującej akumulacji H+ w glebie w sytuacji braku wolnych węglanów w jej wierzchniej warstwie następuje usuwanie (tzw. wymiana) kationów zasadowych (wapnia i magnezu) z GKS. Proces ten poprzez zakwaszenie gleby i jednoczesne wymycie kationów prowadzi do spadku żyzności. Ten proces najintensywniej zachodzi w glebach lekko-kwaśnych (5,5-6,6). Dalszy, ciągły wzrost akumulacji H+ w glebie uruchamia tlenki glinu jako czynnik ich neutralizacji. W konsekwencji w glebie powstają różnorakie formy kationów glinu, a przy spadku pH poniżej 5,5 w roztworze glebowym pojawia się toksyczny glin (Al3+).

Materia organiczna

Naturalnym, rodzimym źródłem H+ w glebie jest rozkład materii organicznej i to niezależnie od źródła (resztki roślinne, słoma, nawozy naturalne, nawozy organiczne). Z dojrzałego obornika w ciągu roku od zastosowania uwalnia się w postaci CO2 około 65% zawartego w nim węgla (C), a ze słomy aż 76%. Mineralizacja materii organicznej osiąga największe tempo wiosną, gdy gleba jest wilgotna, a temperatura rośnie. Latem te procesy, głównie z powodu niedoboru wody w glebie, ulegają spowolnieniu lub nawet zahamowaniu. Większość powstałego CO2 ulatnia się do atmosfery, a pozostała część rozpuszcza się w wodzie, tworząc kwas węglowy, który jest źródłem protonów:

CO2 + H2O ─ H2CO3─ H+ + HCO3-

Z pozostałych 35% C z obornika powstaje próchnica, która zawiera ładunki ujemne, a tym samym zwiększa wielkość GKS. W rezultacie wzrasta potencjał gleby do wiązania:

a) protonów (H+); powstrzymując tym samym jednocześnie zakwaszenie gleby,

b) kationów glinu (Al(OH)2+, Al(OH)2+; osłabiając tym samym procesy prowadzące do formowania toksycznego glinu (Al3+),

c) kationów zasadowych (Ca2+, Mg2+); zmniejszając tempo ich wymywania z gleby.

Zakwaszeniegleby a nawozy azotowe

W rolnictwie istotną przyczyną zakwaszenia gleb uprawnych jest utlenianie azotu amonowego (N-NH4) powstałego w procesie mineralizacji materii organicznej. Rolnik wzmaga te naturalne procesy, stosując azotowe nawozy amonowe i amidowe, generujące pojawienie się jonów amonowych.

ureaza

CO(NH2)2 + 2H2O ─ 2NH4+ + CO3 2─

2NH4+ + 4O2 ─ 2NO3- + 4H+ + 2H2O

Potencjał zakwaszający N-NH4 jest duży, a neutralizacja 1 kg składnika wymaga wprowadzenia do gleby równoważnika w ilości 1,5-2,0 kg CaO. Wartość ta wynika z tego, że w dobrych glebach (średnie – w Polsce) około 50% N w formie amonowej utlenienia się w glebie do azotanów, 25% pobiera roślina, a pozostałe 25% ulega związaniu w GKS. Stosując 160 kg azotu w formie saletry amonowej, należałoby zastosować kompensacyjnie 120-160 kg CaO celem stabilizacji odczynu gleby. Jest to pierwszy, prosty sposób wyliczenia potencjalnej dawki wapna.

Skutki, jakie niesie zakwaszenie gleby

Obecność w glebie toksycznego glinu ujawnia się już przy pH mniejszym od 5,5 (przepisy drogowe: światło żółte). Zagrożenie dla redukcji tempa wzrostu roślin w łanie/na plantacji występuje w stanowisku o pH mniejszym od 4,5 (światło czerwone). Fotografia nr 1 przedstawia plantację rzepaku z dużymi łysinami, które pojawiły się po wypadnięciu roślin. Odczyn gleby w tych miejscach był bardzo kwaśny (pH < 4-4,5). Zakres pH gleby od 5,5 do 4,5 należy traktować jak sygnał ostrzegawczy (światło pomarańczowe). Taki stan odczynu gleby wymaga od rolnika natychmiastowych działań zapobiegawczych.

Pytanie, które należy przedstawić w tym miejscu brzmi: dlaczego Al3+ jest niebezpieczny dla roślin uprawnych? Ta forma glinu powoduje redukcję systemu korzeniowego poprzez zniszczenie pączków wzrostu i zahamowanie wzrostu korzenia. Spośród roślin uprawianych w Polsce do szczególnie wrażliwych należy jęczmień jary, rzepak, pszenica, buraki cukrowe. Tolerancyjne jest żyto, owies, czy też niektóre gatunki łubinów (żółty, wąskolistny), lecz te gatunki nie stanowią o sile ekonomicznej gospodarstwa rolnego.

Roślina nawet przy zredukowanym systemie korzeniowym, lecz w dobrych warunkach wodnych jest w stanie pobrać azot, pod warunkiem że jednocześnie jest odpowiednio zaopatrzona w fosfor i potas. Pobieranie obu tych składników zależy jednakże od wielkości powierzchni korzenia, co nie jest możliwe w obecności Al3+ w roztworze glebowym. Nie mniej ważnej jest także to, że w obecności glinu rozpuszczalne w wodzie związki fosforu przechodzą w formy nierozpuszczalne:

P-Ca ─ P-Al

Druga grupa procesów, która ulega zakłóceniu z powodu spadku odczynu gleby, dotyczy aktywności biologicznej gleby. Każda z podanych w tabeli 1 grup mikroorganizmów osiąga maksymalną aktywność w optymalnym zakresie odczynu, aczkolwiek może egzystować w znacznie szerszym przedziale pH. Regulacja odczynu do poziomu optymalnego dla danej grupy mikroorganizmów jest warunkiem efektywnej kontroli gospodarki materią organiczną gleby, w tym mineralizacji, nitryfikacji i syntezy próchnicy.

Nie można pominąć żadnej z tych grup, gdyż bakterie odpowiedzialne są nie tylko za mineralizację resztek organicznych wprowadzonych do gleby w różnej postaci, lecz także za przemiany azotu organicznego do form dostępnych dla roślin uprawnych.

Pierwszym produktem tego procesu jest N-NH4, który – jak wcześniej omówiono – podlega utlenieniu (nitryfikacja) do azotanów. Grzyby wykazują dużą tolerancję na odczyn gleby i dominują w glebach kwaśnych. Ich efektywność w transformacji resztek roślinnych jest wielokrotnie mniejsza niż bakterii. Ta grupa mikroorganizmów jest jednak niezwykle ważna, gdyż uczestniczy w procesach transformacji ligniny w próchnicę (słoma zbóż). Promieniowce, wydzielając swoiste substancje do gleby, kontrolują aktywność patogenów.

W glebach uprawnych obecnych jest wiele gatunków bakterii zdolnych do utleniania N-NH4, zwanych nitryfikatorami. Największą aktywność uzyskują w glebie o pH 6,5-7,5, a poniżej tego zakresu wydajność nitryfikacji szybko spada. W glebach kwaśnych o pH mniejszym od 3,5-4 dochodzi do całkowitego zahamowania ich aktywności. Wydajność nitryfikacji wzrasta z temperaturą, lecz pod warunkiem odpowiedniej wilgotności gleby, która winna mieścić się w zakresie 40-60% całkowitej pojemności wodnej. Z tej też przyczyny najwięcej azotu mineralnego w glebie pojawia się wiosną. Trzeba mieć na uwadze także to, że nitryfikacja jest znaczącym źródłem wpływającym na zakwaszenie gleby. Proces ten zachodzi z największą intensywnością w wierzchnich jej warstwach, a więc prowadzi do spadku odczynu gleby, a zatem wymaga ścisłej kontroli.

Wprowadzenie do gleby wapnia (Ca2+) w trakcie wapnowania, jak i regulacja aktywności mikroorganizmów w reakcji na wzrost odczynu decydują o strukturze gleby. Formowanie agregatów glebowych jest najbardziej efektywne, gdy źródłem lepiszcza dla powstających gruzełków glebowych są bakterie, a nie grzyby. Wydzieliny tych pierwszych w połączeniu z wapnem w formie amorficznej odpowiadają za łączenie cząstek koloidalnych, pyłowych i ziaren piasku w mikro-agregaty, a następnie gruzełki glebowe. W glebie o strukturze gruzełkowatej:

1) następuje optymalizacja warunków wodno-powietrznych;

2) woda opadowa wsiąka (infiltracja), a nie spływa po powierzchni, czy tym bardziej nie stagnuje na pola, zwiększając tym samym zasoby wody dostępnej dla roślin uprawnych;

3) rośliny wykształcają duży, ekstensywny system korzeniowy, sprawny w pobieraniu wody i składników pokarmowych;

4) rośliny lepiej wykorzystują azot, zarówno powstały w wyniku mineralizacji azotu glebowego, jak i dostarczonego w nawozach;

5) rośliny wschodzą szybciej i równomiernie;

6) oporność mechaniczna gleby jest mniejsza, co tym samym zwiększa wydajność narzędzi uprawowych, a jednocześnie obniża koszty zabiegów.

Zakwaszenie gleby – udział gleb wymagających wapnowania

Odczyn gleb uprawnych należy systematycznie monitorować, gdyż tylko wiedza o aktualnym stanie tej cechy pozwala na racjonalną kontrolę procesu zakwaszenia gleby. Mapę odczynu można sporządzić samemu na podstawie uzyskanych wartości pH. Warunkiem poprawnej diagnozy stanu zakwaszenia gleby jest znajomość kategorii agronomicznej i przestrzennej zmienności tej cechy na polu. W tym celu rolnik winien dysponować także mapą glebowo-rolniczą.

W Polsce aż 40% gleb uprawnych ma pH poniżej 5,5, a w tym aż 40% (16% w skali kraju) stanowią gleby bardzo kwaśne (mapa 1). W takich glebach dominuje toksyczny glin, co tym samym w zasadzie eliminuje produkcję roślin o znaczeniu gospodarczym. Gleby o takim odczynie są zdegradowane produkcyjnie i środowiskowo. Największy odsetek gleb kwaśnych, a także bardzo kwaśnych (>20% w całkowitym udziale) występuje w województwach podkarpackim (28%), małopolskim (28), łódzkim (26%), podlaskim (25%) i lubelskim (21%).

Należałoby postawić pytanie: co się zmieniło w ostatniej dekadzie, a może nawet dwóch, że nastąpiło aż takie zakwaszenie gleby w Polsce? W zasadzie nic. Z analizy danych z Monitoringu Chemizmu Gleb Uprawnych w Polsce wynika, że 1/3 gleb uprawnych jest zagrożona degradacją wywołaną nadmiernym udziałem kationów kwaśnych. Stan ten zagraża produkcji żywności w Polsce, a więc naszemu bezpieczeństwu żywnościowemu. Pojawia się następne pytanie: czy fakt zagrożenia gleb uprawnych w Polsce degradacją żyzności, poza monitorowaniem, pobudza odpowiednie jednostki administracji państwowej do skutecznego przeciwdziałania temu zjawisku?

To nie może być pytanie retoryczne?!! Rozwiązanie tego wyzwania dla Polski jawi się jak 13. praca mitycznego Heraklesa. Od 80 lat taki indywidualny, czy też zbiorowy/państwowy Herkules się nie pojawił.

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