Zakaj proučevati tla?

Zakaj proučevati tla? medij za rast rastlin in pridelkov produkcija in absorbcija plinov medij za rast mikroorganizmov habitat za živali veliki integrator vseh delov terestričnega ekosistema vir za proučevanje geološke, klimatske, biološke in humane zgodovine dekompozicija odpadkov regulator vodnega režima vir gradbenega materiala, zdravilna zemlja (npr. peloidi) absorpcija polutantov omejen esencialni naravni vir filter za pitno vodo

Zakaj proučevati tla? 90% svetovne pridelave hrane je vezano na tla tla so osnova terestričnega življenja vzdrževanje rodovitnosti tal je temelj sodobne civilizacije

Rodovitnost tal definirana kot status tal, ki omogoča dostopnost hranil v količinah in oblikah za maksimalno rast rastlin tla pridobivajo hranila s: fiksacijo dušika, razgradnjo organskih snovi, preperevanjem matične kamnine in z gnojenjem tla izgubljajo hranila s: koreninsko absorpcijo, mikrobno imobilizacijo, izpiranjem, talno erozijo in volatilizacijo.

Mikroorganizmi in dostopnost hranil Za rodovitnost tal so ključni mikroorganizmi, ki regulirajo dostopnost vseh 20 biogenih elementov z: mineralizacijo začasna imobilizacijo simbiontskimi asociacijami (npr. fiksatorji dušika, mikorize)

Fizika tal

Prostorska heterogenost v tleh površinski organski sloj / mineralni sloj / matična kamnina porazdelitev velikosti talnih agregatov (od µm do cm) porazdelitev velikosti makropor in mikropor rizosfera / ne-rizosfera

Elementarna sestava zemeljskega površja element delež kumulativno O 60.4 Si 20.5 80.9 Al 6.3 H 2.9 90.9 Na 2.6 Ca 1.9 Fe 1.9 Mg 1.8 K 1.4 99.5 Ti, P, F, Mn, C, S, Sr, Ba 99.9 Eden od ključnih elementov v živem svetu manjka. Kateri?

Sestava tal Tla so izgrajena iz mineralne snovi, organske snovi, vode in zraka. Primer organo-mineralnih tal. 50 40 delež (%) 30 20 10 0 mineralna 1 organska 2 voda 3 zrak 4 snov snov

Tekstura tal Tla so sestavljena iz različnih mineralnih frakcij. Tekstura tal je razmerje med posameznimi mineralnimi frakcijami v tleh. frakcija površina grobi pesek (0.2 2 mm) 20 cm 2 /g fini pesek (0.05 0.2 mm), 90 cm 2 /g grobi melj (0.02 0.05 mm), 200 cm 2 /g fini melj (0.002 0.02 mm), 500 cm 2 /g glina (< 0.002 mm) 8.000.000 cm 2 /g

Teksturni trikotnik Teksturni razredi so odvisni od deleža peska, melja in gline. Ločimo 12 teksturnih razredov.

Tekstura in lastnosti tal Tekstura tal določa permeabilnost za vodo (kako se giblje voda skozi tla), kapaciteto za zadrževanje vode, aeracijo, sposobnost za obdelovanje tal, rodovitnost tal. tekstura vodna WHC zadrževanje aeracija obdelovanje infiltracija hranil pesek +++ + + +++ +++ melj ++ ++ ++ ++ ++ glina + +++ +++ + +

Lastnosti glavnih koloidov glin lastnost montmorilonit ilit kaolinit velikost (mm) 0.01 1.0 0.1 2.0 0.1 5-0 površina (m 2 /g) 700 800 100 200 5 20 kationska izmenjalna 80 100 15 40 3 15 kapaciteta (meq/100g)

Glavne skupine mineralov glin skupina tip sloja naboj sloja kemijska formula kaolinit 1:1 <0.01 [Si 4 ]Al 4 O 10 (OH) 8 nh 2 O) illit 2:1 1.4-2.2 M x [Si 6.8 Al 1.2 ]Al 3 Fe 0.25 Mg 0.75 O 20 (OH) 4 vermikulit 2:1 1.2-2.0 M x [Si 7 Al]Al 3 Fe 0.5 Mg 0.5 O 20 (OH) 4 smektit 2:1 0.5-1.2 M x [Si 8 ]Al 3.2 Fe 0.2 Mg 0.6 O 20 (OH) 4 korit 2:1 hidroksilni medsloj variabilen (Al(OH) 2.55 ) 4 [Si 6.8 Al 1.2 ]Al 3.4 Mg 0.6 O 20 (OH) 4 a n = 0 je kaolinit in n = 4 is halozit; M x = monovalentni kation v medsloju

1:1 glineni koloidi serpentin-kaolin skupina kaolinit - Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 oktahedralni sloj tetrahedralni sloj 1) Kationi ne morejo v prostor med sloji 2) Topnost je omejena

Struktura kaolinita

2:1 glineni koloidi sljuda, ilit, smektit tetrahedralni sloj oktahedralni sloj tetrahedralni sloj Ti minerali običajno bolj nabrekajo

Struktura sljude tetrahedralni sloj oktahedrali sloj tetrahedralni sloj K + K + K + K + tetrahedralni sloj oktahedrali sloj Prostor med sloji je lahko zapolnjen s K +. Zaradi močne vezave je izmenjava kationov s kalijem relativno težavna. tetrahedralni sloj

Vezava bakterije na minerale glin

Organska snov v tleh Glavni vir organske snovi v tleh so rastlinski ostanki. Večji del rastlinskih ostankov se lahko mineralizira. ~ 5 % pa se kemijsko spremeni v in ostaja v zemlji od 150 do 1500 let. Organska snov v tleh je sestavljena iz: nehuminskih spojin (npr. sladkorji, amino kisline, lipidi, organske kisline, škrob, pektin, celuloza) huminskih spojin (huminske kisline, fulvo kisline, humin), to so temne visokomolekularne spojine, ki so nastale s sekundarno biosintezo.

Komponente talne organske snovi protein 10% maščobe/olja 5% lignin 25% oglikovi hidrati 60%

Elementarna sestava talne organske snovi Povprečna sestava talne organske snovi delež (%) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 C O H Ca, S, P, Mg, K

Delež organskega ogljika v odvisnosti od globine 0 (% Organic C) 0 1 2 3 4 5 Soil Depth (cm) 20 40 60 80 Aridisol Alfisol Spodosol Mollisol Mollisol (cultivated) 100 V prvem približku delež organskega ogljika pada eksponentno z globino. Do odstopanj pride zaradi vrste tal, rastlinskega materiala ter klimatskih posebnosti.

Humus humus je temno obarvana material, ki predstavlja razpadne organske produkte in material, ki so ga sintetizirali mikroorganizmi nastajanje je pospešeno v vlažnih in hladnih okoljih več ga je na travnikih in v gozdovih kot na obdelovanih površinah

Humus zmanjšan vnos organske snovi ali povečana razgradnja stacionarno stanje organska snov mineralna snov povečan vnos organske snovi ali zmanjšana razgradnja Tipičen primer je nastajanje barjanskih tal oziroma njihovo posedanje z intenzivno kmetijsko rabo.

Vpliv organske snovi na biološke lastnosti tal rezervoar za ogljik rezervoar za dušik, fosfor in žveplo in druga hranila vir rastnih faktorjev za rastline (npr. avksini) ima visoko kapaciteto adsorpcije za organske spojine omogoča raznoliko metabolno mikrobno populacijo

Vpliv organske snovi na kemijske lastnosti tal poveča kationsko izmenjalno kapaciteto ph pufer poveča kelacijo in s tem biodostopnost poveča raztapljanje netopnih elementov (npr. fosforja) poveča absorpcijo radiacije

Vpliv organske snovi na fizikalne lastnosti tal izboljša strukturo in agregacijo tal zmanjša gostoto tal ter poveča delež por poveča aeracijo poveča sposobnost za zadrževanje vode zmanjša erozijo

Struktura tal Struktura je način, kako se teksturni delci grupirajo v klastre in agregate. Organska snov ima pri tem odločilno vlogo.

Struktura ni enako tekstura gostota talnih delcev volumen talnih delcev je volumen tal volumen por gostota tal volumen tal je volumen por + volumen talnih delcev

Gostota tal Gostota tal (volumska specifična teža ali bulk density, ρ b ) ρ b = gostota vzorca tal, g/cm 3 M s = masa zračno suhih tal, g V b = volumen talnega vzorca, cm 3 običajne vrednosti: 1.1-1.6 g/cm 3 ρb = M V b s Gostota talnih delcev (ρ p ) ρ P = gostota talnih trdnih delcev, g/cm 3 M p = masa talnih delcev, g V p = volumen talnih delcev, cm 3 običajne vrednosti: 2.6-2.7 g/cm 3 za določitev uporabljamo ksilol ρp = M V p p

Gostota tal in cone kompaktiranja globina (cm) volumska specifična teža (g / cm 3 ) 0 18 20 22 25 1.43 1.90 1.87 1.84 1.80 1.60 ornica kompaktna cona nekompaktna cona

Kompaktna cona Nepropustni sloj na interfazi med peščenim in glinenim slojem. H 2 O H 2 O nekompaktni sloj kompaktni sloj

Vpliv strukture tal na permeabilnost tal za vodo

Vpliv strukture na razporejenost talnih mikrobov

Aeracija velikost por v tleh določa razmerje med zrakom in vodo. Ločimo: - makropore (> 0.01 mm) - srednje velike (0.0001 0.01 mm) - mikropore (<0.0001 mm) delež por je odvisen od strukture in teksture tal: v glinastih tleh je več por, vendar so skoro vse mikropore, za razliko od peščenih tal, kjer so predvsem makropore

Poroznost (φ) φ = volumen volumen por tal ρb φ = 1 100% ρp običajne vrednosti za poroznost tal: 30-60%

Vsebnost vode v tleh ko so tla saturirana z vodo so vse talne pore zapolnjene z vodo in je v tleh malo zraka. poljska kapaciteta za vodo je tista voda, ki na polju ostane 2 do 3 dni po saturaciji permanentna točka venenja rastlin predstavlja vodo, ki je prisotna samo še v filmu in je močno vezna na talne delce sposobnost tal za zadrževanje vode (WHC) izmerimo tako, da zračno suha tla popolnoma saturiramo z vodo, počakamo da se višek vode odcedi in določimo količino vode, ki so jo tal zadržala.

Vezava vode na talne delce Vezava vode je odvisna od oddaljenosti od površine in z oddaljenostjo eksponentno pada

Vpliv teksture tal na WHC grobi pesek melj-glina suha tla gravitacijska voda WHC dostopna voda nedostopna voda

Vodni potencial tal meri energijski status talne vode pokaže kako težko je ekstrahirati vodo iz tal merimo ga v barih (atmosferah) ker je definiran glede na potencial čiste vode, ki je po definiciji enak nič, so vrednosti negativne voda teče iz višjega proti nižjemu potencialu (to pomeni od manj negativnega proti bolj negativnemu)

Vodni potencial tal Komponente vodnega potenciala tal ψ t so: ψt = ψg+ ψm+ ψo ψ g = gravitacijski potencial (sila težnosti na molekule vode) ψ m = matrični potencial (sila s katero veže talni matriks vodo nase) ψ o = ozmotski potencial (zaradi razlik v koncentraciji soli, preko semipermeabilne membrane) Največji vpliv na vodni potencial tal v tleh ima običajno matrični potencial.

Dostopnost vode v odvisnosti od matričnega potenciala tal večji potencial pomeni več dostopne vode pri katerem koli matričnem potencialu zadržijo glinena tla več vode

Matrični vodni potencial tal in tekstura tal Sesalna moč manjših por je večja kot pri velikih porah. To pomeni, da imajo peščena tla vedno manj vode kot glinena. velikost kapilarnega dviga je obratno sorazmerna s premerom pore

Vpliv rastline na vodni potencial tal Korenina s svojo sesalno močjo lahko vpliva na vodni potencial tal v bližini korenine, kjer je največ mikroorganizmov. oddaljenost od korenine 0-0.2 1 2 3 4 5 mm vlažna tla podnevi ali ponoči vodni potencial tal -0.4-0.6-0.8-1.0-1.2 MPa suha tla ponoči suha tla podnevi

Infiltracija vode v tla Vstop vode v tla je odvisen od: teksture tal vsebnosti vode v tleh strukture tal na površini (zalizane pore, makropore) kmetijske prakse načina aplikacije vode temperature vode

Hitrost infiltracije vode v odvisnosti od teksture tal

Kemija tal

Talna atmosfera lokacija dušik kisik CO 2 atmosfera 78.1 20.9 0.03 dobro aerirana tla 78.1 18-20.5 0.3 3 z vodo saturirana tla >79 0 10 do 10 Tla v vsakem primeru izločajo CO 2 in porabljajo O 2

Koncentracija O 2 v talnem agregatu mm mm

Vpliv vode na difuzijo kisika v tleh difuzijski koeficient za kisik v zraku D = 0.189 cm 2 /s difuzijski koeficient za kisik v vodi D = 0.000025 cm 2 /s Ker imajo glinena tla večji matrični vodni potencial in imajo pri danem potencialu vedno več vode kot peščena tla je založenost glinenih tal s kisikom slaba. Koncentracija CO 2 je v takih razmerh lahko nekaj 100 x večja kot v atmosferi.

Talni ph Talni ph je običajno v območju od 4.5 do 9 Za večino talnih organizmov je nevtralni ph optimalen za rast. določamo aktivno ali trenutno kislost tal potencialno kislost (vsi protoni v raztopini, vezani protoni + Al 3+ ) določamo z 1M KCl.

Nastanek tal Nastanek tal je proces formacija in stabilizacija talnih agregatov ob sočasnem nastajanju zračnih por.

Nastanek tal Zelo počasen proces (od nekaj deset let do nekaj miljonov let). Nastanek je odvisen od: klimata matične kamnine organizmov topografije časa

Nastanek tal: klima je glavni faktor pri nastanku tal temperatura in padavine določajo fizikalne, kemijske in biološke procese v tleh Npr. visoke temperature in padavine močno povečajo preperevanje matične kamnine, večja je nastajanje in razgradnja organske snovi

Nastanek tal: matična kamnina matična kamnina je kamnina, ki je razrahljana in delno preperela mineralna osnova iz katere nastajajo tla nastaja počasi lahko je transportirana z ledeniki, vodo ali vetrom nastaja z depoziti v jezerih in morjih ali z metamorfozo v notranjosti zemlje

Nastanek tal: tal: organizmi za nastanek tal je običajno potrebno veliko število različnih organizmov organizmi vplivajo na strukturo tal, aeracijo in rodovitnost (npr. mikroorganizmi razgrajujejo organsko snov, lišaji izločajo organske kisline, korenine mehansko razbijajo kamnino, rastline transportirajo hranila iz spodnjih v vrhnje horizonte tal).

Nastanek tal: topografija topografija predvsem določa, kako se premika voda po površini in kakšna je dovzetnost tal za erozijo na strmih pobočjih so tla običajno plitva v dolinah so plasti tal debelejše topografija določa tudi vpliv radiacije na procese pri nastanku tal

Nastanek tal: čas nastanek tal je časovno odvisen od matične kamnine, klimata, organizmov in topografije tla, ki nastanejo iz matične kamnine potrebujejo nekaj 1000 let, medtem ko lahko tla na aluvialnih naplavinah nastanejo v nekaj 10 letih.

Talni profil ko tla nastajajo se samo-organizirajo v sloje ali horizonte horizonti imajo karakteristično kemijsko sestavo, debelino, barvo, teksturo in strukturo vertikalno organiziranost tal imenujemo talni profil

Talni profil O horizont A horizont E horizont B horizont C horizont R horizont

Mikrobiologija tal

Vloga organizmov v talnih procesih nastanek in strukturiranje tal (fragmentacija, humifikacija in mešanje organskih ostankov z mineralno frakcijo tal) recikliranje hranil in njihovo zadrževanje regulacija populacij organizmov

Klasifikacija talne faune mikrofauna (<0.1 mm) Najdemo je v porah in v vodnih filmih mikroorganizmi, nematode Različne dimenzije, kot pri vodnih organizmih!! mezofauna (0.1 2 mm) Najdemo jih v vodi in v zračnih porah Lahko pretrgajo površinsko napetost talne vode črvi, mikroartropodi makrofauna (2-20 mm diameter) Lahko direktno sprememnijo strukturo tal deževniki, makroartropodi

Ocene za maso talnih organizmov na obdelovanih tleh kg na hektar bakterije 3,500 glive 1,750 protozoji 175 nematode 75 deževniki 1,100 črvi 400 drugi intervebrati <10 skupna teža: 6.000 7.000

Bakterije autotrofi, heterotrofi - dekompozitorji, rastlinski simbionti, patogeni

Glive dekompozitorji, rastlinski simbionti, patogeni, predatorji

Protozoji hranijo se z bakterijami, glivami, drugimi protozoji in razpadajočim organskim materialom

Nematode hranijo se z bakterijami, glivami, rastlinskimi koreninami, predatorji, paraziti.

Izopodi hranijo se z odmrlim rastlinskim materialom, pomagajo mikrorganizmom pri razgradnji z drobljenjem organske snovi

Kotačniki Centipedi predatorji Millipedi razpadel rastlinski material Pomagajo mikrorganizmom pri razgradnji z drobljenjem organske snovi

Skakači hranijo se z glivami, razpadlo organsko snovjo, rastlinami, pomagajo mikrorganizmom pri razgradnji z drobljenjem organske snovi

Pršice dekompozitorji, predatorji, paraziti, prehranjujejo se tudi z rastlinami

Deževniki delajo rove in s tem prezračujejo tla prehranjujejo se z odmrlim organskim materialom pospešujejo mineralizacijo N in P, s svojimi iztrebki izboljšujejo strukturiranost tal, iz površja vnašajo v globlje plasti tal organski material, ki ga drobijo, premešajo in tako povečajo mikrobno aktivnost.