Soil Fertility & Plant Nutrition E. Katsalirou Spring 2015 Γονιμότητα Εδάφους & Θρέψη Φυτών Βασικές Σχέσεις Εδάφους - Φυτού
Εδαφικές Ιδιότητες: Εφοδιασµός σε θρεπτικά Σκοποί Γνώση των βασικών μορφών θρεπτικών και των δεξαμενών τους στο έδαφος Κατανόηση της ιοντικής ανταλλαγής και των εδαφικών ιδιοτήτων που προσδιορίζουν την Ικανότητα Ανταλλαγής Κατιόντων Γνώσητηςβασικήςδομήςκαιτωνιδιοτήτωντωνπιο κοινών ορυκτών της αργίλου Κατανόηση της διαθεσιμότητας των θρεπτικών ως δυναμικής διεργασίας, η οποία σχετίζεται πολλές φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες του εδάφους Οι πηγές θρεπτικών στο έδαφος Αποσύνθεση της οργανικής ουσίας Απόσάθρωση των ορυκτών του εδάφους Προσθήκη λιπασμάτων Οργανικάεδαφοβελτιωτικά (κοπριά, κομπόστ, ιλύςβιολ. Καθαρισμού) Ν-δέσμευση(ψυχανθή, κλπ.) Θρυμματισμένα πετρώματα(π.χ. απατίτης) Βιομηχανικά απόβλητα(π.χ. φωσφογύψος) Ατμοσφαιρικές αποθέσεις(n& S) Αποθέσεις ιζημάτων(από διάβρωση και πλημμύρες)
Δεξαμενές θρεπτικών στοιχείων Ανεξαρτήτου πηγής, όλα τα θρεπτικά καταλήγουν στο ίδιο δίκτυο«δεξαμενών» θρεπτικών στο έδαφος Οι φυσικές, χημικές και βιολογικές ιδιότητες των εδαφών επιδρούν στα θρεπτικά στοιχεία Τα θρεπτικά στοιχεία είτε προσλαμβάνονται από τα φυτά είτε κινούνται στο δίκτυο δεξαμενών του εδάφους Δεξαμενές θρεπτικών στοιχείων Εδαφικό διάλυμα Διαλυτές& άμεσα διαθέσιμες μορφές θρεπτικών Οργανική Ουσία Αποικοδομημένη και θρεπτικά που ελευθερώνει Θα αναπτυχθέι λεπτομερώς ως πηγή θρεπτικών στη συζήτηση για τους κύκλους των θρεπτικών στοιχείων Οργανισμοί του εδάφους Προσλαμβάνουν και προσωρινά ακινητοποιούν τα θρεπτικά στοιχεία Ορυκτά του εδάφους Ευδιάλυτα ή δυσδιάλυτα Επιφανειακή προσρόφηση Τα θρεπτικά συγκρατούνται στο έδαφος με διάφορους μηχανισμούς Άμεσα διαθέσιμα έως βραδέως αφομοιώσιμα Ικανότητα ανταλλαγής Σημαντικότατη μορφή επιφανειακής προσρόφησης
Ορισμοί Προσρόφηση: συγκρατείται στην επιφάνεια Απορρόφηση: προσλαμβάνεται στο εσωτερικό Ιόντα Χημικά στοιχεία ή συστατικά με ηλεκτρικό φορτίο Κατιόντα θετικόφορτίο(+) Ανιόντα αρνητικό φορτίο(-) Τα θρεπτικά για τα φυτά στοιχεία καθίστανται διαθέσιμα με την ιονική τους μορφή Ικανότητα Ανταλλαγής Ιον προσροφημένο στη στερεή φάση ανταλλάσσεται με ιόν παρόμοιου φορτίου στην υγρή φάση Αντιστρεπτή διεργασία Ανταλλαγή μεταξύ επιφανειών των εδαφικών τεμαχιδίων και του υγρού εδαφικού διαλύματος Ανταλλαγή Κατιόντων Πιο σημαντικη από την ανιονική ανταλλαγή για τα γεωργικά εδάφη Καθαρό αρνητικό φορτίο στις επιφάνειες των εδαφικών τεμαχιδίων Καθορίζει την διαθεσιμότητα των K, Ca, και Mg
Πηγές του φορτίου των επιφανειών Ορυκτά αργίλου Οργανική Ουσία Ανόργανα συστατικά(e.g. υδροξυ-οξείδια Fe και Al) Ρίζες φυτών Ορυκτά αργίλου Αναδρομή στο εκπαιδευτικό υλικό της εδαφολογίας για υπενθύμιση των δομικών μορφών τους Κολλοειδές μέγεθος και αντίστοιχες ιδιότητες Μεγάλη ειδική επιφάνεια Η άργιλος των περισσοτέρων εδαφών αποτελείται από κρυσταλλικά φυλλοπυριτικά ορυκτά της αργίλου
Πυριτικές άργιλοι βασικές δομικές μονάδες Τετράεδρα πυριτίου ΈναιόνSi 4+ συνδέεταιμετέσσεραιόνταo 2- Οκτάεδρα αργιλίου ΈναιόνAl 3+ συνδέεταιμεέξιιόνταoh - Πυριτικές άργιλοι φύλλα τετραέδρων/οκταέδρων ΑλυσίδεςήφύλλατετραέδρωνSi ήοκταέδρωνal ΤατετράεδραSiσυνδέονταιμεταξύτουςμεταO 2 που μοιράζονται Τα οκτάεδρα Al συνδέονται με ΟΗ που μοιράζονατι μεταξύ τους
Πυριτικές άργιλοι επίπεδα Τα φύλλα τετραέδρων Si ή οκταέδρων Al συνδέονται μεταξύ τους με άτομα Ο και σχηματίζουν επίπεδα (στρώσεις) Διαφορετικοί τύποι αργίλου φέρουν διαφορετικούς συνδυασμούς τετραεδρικών και οκταεδρικών φύλλων Τα επιπεδα συγκρατούνται μεταξύ τους με διαφορετικούς μηχανισμούς και με διαφορετική δύναμη(ένταση) Άργιλοι τύπου 1:1 Ένα φύλλο τετραέδρων και ένα φύλλο οκταέδρων Καολινίτης Μικρή ποσότητα αρνητικού φορτίου έντονα αποσαθρωμένα(γηρασμένα) εδάφη Μηεκτατό ΔεσμοίΗσυνδέουνταεπίπεδαμεταξύτους
Άργιλοι τύπου 2:1 Ένα φύλλο οκταέδρων μεταξύ δύο φύλλων τετραέδρων Μοντμοριλλονίτης, ιλλίτες, βερμικουλίτης Ο μοντμοριλλονίτης έχει πολύ μεγάλη ικανότητα συρρίκνωσηςδιόγκωσης Ο βερμικουλίτης είναι μετρίως εκτατό ορυκτό ΤοK + ταιριάζειακριβώςστονδιαστιβαδικόχώροτουβερμικουλίτη Μειώνει το αρνητικό φορτίο αλλά αποτελεί πηγή βραδέως διαθέσιμου Κ Οι ιλλίτες(π.χ. glauconite) δεν είναι εκτατά ορυκτά Άργιλοι τύπου 2:1:1 Ένα οκταεδρικό φύλλο μεταξύ δύο τετρεεδρικών φύλλων Μπορεί να είναι και ενδοστιβαδικό φύλλο υδροξειδίου τουmg Χλωρίτης Μη εκτατός τύπος αργίλου
Ισόμορφη υποκατάσταση Isomorphic substitution (Iso = ίδίου, morphic = σχήματος) ΑντικατάστασητωνSi 4+ or Al 3+ απόκατιόντα μικρότερου φορτίου Al 3+ αντίsi 4+ στατετράεδρα Mg 2+ ήfe 2+ αντίal 3+ σταοκτάεδρα Ισόμορφη υποκατάσταση Κύρια πηγή αρνητικού φορτίου Παρατηρείται κυρίως στις 2:1 αργίλους Μόνιμο φορτίο Δημιουργείτια κατά το σχηματισμό των ορυκτών Δεν επηρεάζεται από τη διαχείριση ΤομόνιμοφορτίοδενεπηρεάζεταιαπότοεδαφικόpH
Φορτίο εξαρτώμενο από το εδαφικό ph Θραυσιγενείς ακμές των επιπέδων των φυλλοπυριτικών αργίλων Αύξηση των θετικά φορτισμένων θέσεων σε όξινο ph Αύξηση των αρνητικά φορτισμένων θέσεων όταν το εδαφικό ph είναι αλκαλικό Επηρεάζεται από τη διαχείριση των εδαφών Θραυσιγενείς ακμές Οι επιδράσεις του ph σε απλοποιημένη μορφή: Όξινοπεριβάλλον-περίσσειαH + Si -OH Al OH Αλκαλικόπεριβάλλον-εξουδετέρωση(απομάκρυνση) τωνh + Si -O Al -O
Οργανική Ουσία Το φορτίο της εξαρτάται(επηρεάζεται) από το ph ΑπομάκτρυνσητωνH + απότιςομάδεςτουκαρβοξυλίου καιτουφαινολικούοξέος(e.g. COOH COO - + H + ) Υψηλό φορτίο/μονάδα μάζας Ικανότητα Ανταλλαγής Κατιόντων (Cation exchange capacity - CEC) Συνολικό ποσό αρνητικού φορτίου στα εδάφη Milliequivalents αρνητικούφορτίου/100 grams εδάφους(ή cmol(-)/kg εδάφους) CEC (meq/100 g or cmol/kg) Βερμικουλίτης: 120-150 Μοντμοριλλονίτης: 80-120 Ιλλίτης: 20-40 Χλωρίτης: 20-40 καολινίτης: 1-10 Οργανική ουσία: 100-300
Η CEC καθορίζεται από την μηχανική σύσταση και την περιεκτικότητα σε οργανική ουσία του εδάφους CEC (meq/100 g soil) Sands (low OM) 3-5 Sands (high OM) 10-20 Loams 10-15 Silt loams 15-25 Clay and clay loams 20-30 Organic soils 50-100 Ένταση προσρόφησης Ανάλογη του ιονικού φορτίου και του μεγέθους(ακτίνα ενυδατώματος) Λυοτροπική σειρά: Al 3+ > H + > Ca 2+ > Mg 2+ > K + = NH 4+ > Na + Οανταγωνισμόςτωνιόντωνγιαπροσρόφηση/ εκρόφηση επηρεάζει τη συμπεριφορά τους ως προς την έκπλυση αλλά και ως προς τη διαθεσιμότητά τους ως θρεπτικά
Κορεσμός από βάσεις(βs) BS= % of CEC πουκαταλαμβάνεταιαπόβασικά κατιόντα(ca 2+, Mg 2+, K +, Na +, NH + ) Όξινακατιόντα= Al 3+ και H + Ο βαθμός κορεσμού από βάσεις υποδεικνύει διαθεσιμότητα των βασικών κατιόντων και είναι ευθέως ανάλογος του ph ph 5.5 ~ 50% BS ph 7.0 ~ 90% BS Ανταλλαγή Ανιόντων Τα ανιόντα προσροφώνται σε θετικά φορτισμένες θέσεις ΤοφορτίοαυτόεξαρτάταιαπότοpH Θραυσιγενείς ακμές φυλλοπυριτικών αργίλων ΥδροξείδιαFe καιοξείδιαal Εκτόπιση ανιόντων από ομάδες OH Κοινά στα ισχυρά αποσαθρωμένα(γηρασμένα) εδάφη
Ανταλλαγή Ανιόντων Συγκράτηση ανιόντων όχι απλά με ηλεκτροστατική έλξη Ειδική προσρόφηση, χημειορρόφηση Ιδιαίτερασημαντικήγια H 2 PO 4- ΜερικήςσημασίαςγιαSO 4 2-, καιμικρήςσημασίαςγια NO 3- or Cl - Μη σημαντική για ασβεστούχα ή βελτιωμένα με άσβεστο εδάφη Δημιουργία χηλικών συμπλόκων Δημιουργία συμπλόκων μεταξύ μεταλλικών ιόντων και οργανικών μορίων Οργανικά συστατικά που συντίθενται από τις ρίζες Προϊόντα μικροβιακού μεταβολισμού Μέρος της οργανικής ουσίας Chelate (χηλικό) = «οπλή» Πολλαπλές θέσεις σύνδεσης Χηλικό μέρος«περικυκλώνει" το μεταλλικό ιόν
Δημιουργία χηλικών συμπλόκων Διαλυτές χηλικές ένώσειςαυξάνουν τη διαθεσιμότητα των μικροθρεπτικών κατιόντων Fe, Zn, Mn, Cu Τα προστατεύουν από καθίζηση ή από αντιδράσεις προσρόφησης Η δημιουργία χηλικών ενώσεων με στερεά οργανική ουσία μειώνει τη διαθεσιμότητα των μικροθρεπτικών π.χ. χαμηλή διαθεσιμότητα Cu σε εδάφη με υψηλή οργανική ουσία Ρυθμιστική ικανότητα Η ικανότητα του εδάφους να διατηρεί τη συγκέντρωση των θρεπτικών στο εδαφικό διάλυμα Η ικανότητα της στερεής φάσης να αναπληρώνειο τα θρεπτικά του εδαφικού διαλύματος που καταναλώθηκαν από τις ρίζες των φυτών Οι περισσότερες εδαφικές αναλύσεις έχουν την ικανότητα να μετρούν τη ρυθμιστική ικανότητα των εδαφών
Ρυθμιστική ικανότητα BC =ΔQ/ΔI Παράγοντας ποσότητας = ΔQ Περιλαμβάνει προσροφημένα ιόντα& ορυκτά που διαλυτοποιούνται αρκετά γρήγορα ώστε να παρέχουν θρεπτικά καθόλη τη διάρκεια μιας καλλιεργητικής περιόδου Παράγοντας έντασης = ΔI Μεταβολή της συγκέντρωσης του θρεπτικού στο εδαφικό διάλυμα Ρυθμιστική ικανότητα Πρόσληψη από φυτά: ΔI(μείωση συγκέντρωσης στο εδαφικό διάλυμα) Υψηλό ΔQ διατηρεί την συγκέντρωση στο εδαφικό διάλυμα αμετάβλητη ΚαθαρόΔIμικρό Χαμηλό ΔQ μη ικανό να διατηρήσει την συγκέντρωση στο εδαφικό διάλυμα ΚαθαρόΔIμεγάλο