Zakwaszenie gleb, z którym ściśle powiązany jest zabieg potocznie znany jako wapnowanie, stanowiło jeszcze niedawno stały element gospodarki rolnej w Polsce. W uproszczonym ujęciu wapnowanie sprowadza się do odkwaszania gleb użytków rolnych i podkreślenia ich aspektu produkcyjnego. Jest to bardzo wąskie ujęcie i rozumienie szeregu bardzo złożonych procesów, zachodzących w układzie: gleba - zakwaszenie - wapnowanie - roślina. W dobie realizacji zasad rolnictwa zrównoważonego, w którym ochrona środowiska stanowi jeden z priorytetów, niezbędne jest rozpoznanie relacji: gleba - zakwaszenie - wapnowanie - środowisko. Wapnowanie, wydawałoby się prosty zabieg, ma istotne znaczenie nie tylko dla funkcjonowania pól uprawnych, lecz także dla ekosystemów do nich przyległych, jak i całej biosfery.

ISTOTA ZAKWASZENIA GLEBY

Zjawiska zachodzące w glebie określane ogólnym terminem zakwaszenia cechuje charakterystyczna sekwencja procesów prowadząca do pojawienia się w roztworze glebowym jonu wodorowego H+. Podstawowym źródłem tego jonu jest materia organiczna zawierająca węgiel organiczny (Corg), która do gleby wprowadzana jest w sposób naturalny w formie: resztek roślinnych (korzenie roślin, ścierń), słomy lub nawozów naturalnych i organicznych. W procesie mineralizacji powstaje dwutlenek węgla:

Corg à ↑CO2 (ulatnianie do atmosfery)

lub

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

lub Corg à Chumus

Większość dwutlenku węgla powstałego z wprowadzonej do gleby materii organicznej ulatnia się do atmosfery. W wodzie glebowej rozpuszcza się od 10 do 20 proc. CO2, tworząc kwas węglowy będący potencjalnym źródłem jonów wodorowych.

Drugim procesem wpływającym na koncentrację H+ w roztworze glebowym jest utlenianie kationu amonowego. Pierwotnym źródłem tego składnika jest azot organiczny zawarty w materii organicznej wprowadzanej do gleby. W procesie mineralizacji dochodzi do powstania i pojawienia się w roztworze glebowym kationu amonowego NH4+:

Norg à ↑NH3 (ulatnianie do atmosfery)

lub NH3 + H2O ↔ NH4OH ↔ NH4+ + OH-.

Trzeba mieć też na uwadze świadome działanie rolnika poprzez stosowanie nawozów amonowych i amidowych będących źródłem azotu amonowego. Składnik ten w glebie podlega szeregowi procesów, w tym jest pobierany bezpośrednio przez rośliny. Część ulega związaniu przez glebę - jest ona tym większa, im gleba jest bogatsza w cząstki ilaste i próchnicę. Niezwykle ważnym procesem jest utlenienie (nitryfikacja) azotu amonowego do azotanów. Proces ten wymaga spełnienia wielu warunków, w tym podstawowego, jakim jest odczyn gleby w zakresie od obojętnego do zasadowego. W trakcie bardzo złożonego procesu w roztworze glebowym pojawiają się kationy wodorowe:

2NH4+ + 3O2 à 2NO2- + 4H+ + 2H2O

2NO2- + O2 à 2NO3-

Nitryfikacja prowadzi do znacznego zakwaszenia gleby. Największą intensywność obserwuje się w warstwie ornej. W konsekwencji dochodzi w niej do znacznego spadku odczynu gleby.

KONTROLA ZAKWASZENIA GLEBY

Obecność jonu H+ w roztworze glebowym nie stanowi zagrożenia dla funkcjonowania gleb uprawnych czy też użytków zielonych, dopóki posiada ona potencjał do jego neutralizacji. W olbrzymim uproszczeniu stopień neutralizacji zależy od obecności w glebie związków zdolnych do zobojętnienia jonu wodorowego. Pierwszy, łagodny etap kontroli zakwaszenia gleby opiera się na węglanach, które działają na zasadzie przedstawionej poniżej:

CaCO3 + H+ + HCO3- à Ca2+ + 2HCO3-

Obecność wolnych węglanów w roztworze glebowym warunkuje stabilizację odczynu. Węglany nie są rozpuszczalne w wodzie, lecz tworząc wodorowęglan, swobodnie migrują w głąb profilu glebowego, wytrącając się ponownie w warstwach o odczynie wyższym niż w warstwach wierzchnich. Powyższe równanie jednoznacznie tłumaczy konieczność wapnowania gleb uprawnych. Wyczerpanie zasobów węglanów w roztworze glebowym prowadzi do pojawienia się drugiego, zaawansowanego etapu zakwaszenia i jednoczesnego uruchomienia potencjału gleby jako czynnika neutralizacyjnego jony wodorowe:

gleba-Ca + 2H+ à gleba-H+ + Ca2+

Glebowy kompleks sorpcyjny winien zawierać w swym składzie od 45 do 65 proc. wapnia. Dolna wartość cechuje gleby lekkie, a górna średnie. W konsekwencji zakwaszenia dochodzi do zubożenia warstwy powierzchniowej w wapń. Tym samym zmniejsza się naturalna sprawność gleby warunkująca jej funkcjonowanie zarówno produkcyjne, jak i środowiskowe. Ten etap kontroli stanu zakwaszenia jest także związany z zabiegiem, jakim jest wapnowanie.

Wyczerpanie zasobów wapnia w glebowym kompleksie sorpcyjnym uruchamia trzeci, krańcowy etap neutralizacji aktywnych jonów wodorowych w glebie. Ujawnienie się tego poziomu jest wskaźnikiem degradacji gleby. W proces ten włączone są bowiem podstawowe składniki struktury glebowego kompleksu, czyli związki glinu. Uproszczony schemat zachodzących procesów przedstawia się następująco:

Al(OH)3 + H+ à Al(OH)2+ + H+ à Al(OH)2+ + H+ à Al3+

Proces ten ujawnia się w glebach o pH mniejszym od 5,5 i pogłębia wraz ze spadkiem odczynu do stanu pH poniżej 4,5. Ta wartość odczynu informuje użytkownika o obecności w glebie kationów Al3+, które są toksyczne dla wszystkich organizmów żywych. Kontrola zakwaszenia tego poziomu jest złożona, gdyż zachodzi w strefie kontaktu gleba/roztwór glebowy. W uproszczonym ujęciu proces ten przedstawia się następująco:

2 gleba-Al3+ + 3Ca2+ + 3OH- à 3 gleba-Ca2+ + 2Al(OH)3

Neutralizacja toksycznego Al3+ jest kluczowym zadaniem agrotechniczno-środowiskowym w działaniach na rzecz kontroli zakwaszenia gleb uprawnych.

SKUTKI ZAKWASZENIA

Doprowadzenie gleby uprawnej do stanu krańcowego zakwaszenia zakłóca jej funkcje, wywołując szereg ujemnych skutków środowiskowych i ekonomicznych. Jednym z podstawowych skutków jest zaburzenie wzrostu systemu korzeniowego roślin. W konsekwencji obecności w roztworze glebowym kationów Al3+ następuje zredukowanie systemu korzeniowego roślin uprawnych (rys. 1). Obserwowane zjawisko jest następstwem szeregu procesów, a mianowicie:

1. Stresu bezpośredniego - pierwotnego, wywołanego:

- toksycznością Al3+;

- niedoborem wapnia (Ca).

2. Stresu pośredniego - wtórnego, wywołanego:

- antagonizmem Al3+ względem Ca2+ oraz Mg2+;

- wzrostem koncentracji manganu Mn2+ czy też żelaza Fe2+;

- uwstecznianiem związków fosforu oraz molibdenu.

Potencjalne skutki środowiskowe redukcji pionowego zasięgu korzeni roślin uprawnych są olbrzymie. Rośliny pobierają bowiem wodę i składniki mobilne w wodzie (azotany, chlorki, siarczany) w strefie do 20 cm poniżej dolnej granicy zasięgu korzeni. Zatem jakakolwiek redukcja systemu korzeniowego prowadzi do spłycenia strefy gleby eksploatowanej z wody i składników mineralnych przez rośliny. Tym samym roślina nie jest w stanie korzystać z zasobów wody zawartych w głębszych warstwach profilu glebowego. Bezpośrednimi skutkami zredukowanej strefy korzeniowej rośliny są:

wzrost podatności składników mobilnych - głównie azotanów, lecz także siarczanów, na wymycie;

wzrost wymycia kationów, zwłaszcza wapnia i magnezu;

ograniczenie pobierania fosforu i potasu.

Pośrednimi, lecz najczęściej dostrzeganymi wizualnie skutkami są:

podatności roślin na suszę;

spadek plonu.

Nie mniej ważnym, lecz słabo rozpoznanym skutkiem zakwaszenia gleb jest zwiększona koncentracja gazowych związków azotu. Najnowsze badania wykazały, że w glebach o pH poniżej 6,0 pojawiają się w znaczącej ilości tlenki azotu. W niektórych stanowiskach, zwłaszcza pod roślinami wymagającymi stanowisk kwaśnych, takich jak ziemniak, emisja tlenku azotu dochodzi do 10 proc. ilości składnika wprowadzonego do gleby w nawozach. Jednocześnie wskazuje się na wapnowanie jako zabieg istotnie redukujący emisję gazowych związków azotu do atmosfery.

SKUTKI WAPNOWANIA

Rola wapna w produkcji roślinnej jest bardzo złożona, gdyż wynika z szerokiej gamy procesów, na które wpływa, takich jak:

neutralizacja toksycznego glinu w glebie (zadanie ważne w stanowiskach o pH < 5,5);

wzrost odczynu gleby aż do zakresu zasadowego intensyfikuje:

- procesy rozkładu resztek pożniwnych (rys. 2.);

- tempo mineralizacji azotu organicznego oraz nitryfikację; powstałe azotany dynamizują wzrost rośliny, a tym samym zwiększają plon ziarna (rys. 3.);

- procesy uwalniania się przyswajalnego potasu i mikroskładników z zasobów glebowych;

Tworzenie struktury agregatowej gleby, co tym samym wywołuje poprawę warunków wodno-powietrznych i w rezultacie:

zwiększa retencję wody z opadów jesienno-zimowych;

umożliwia roślinom uprawnym budowę silnego systemu korzeniowego;

usprawnia gospodarkę roślin uprawnych azotem; dobrze ukorzenione rośliny pobierają azot zawarty w głębszych warstwach profilu glebowego;

wpływa na wzrost dostępności uwstecznionego w glebach kwaśnych fosforu.

NIEZBĘDNY ZAKRES DZIAŁAŃ

Działania na rzecz skutecznej kontroli narastającego zakwaszenia gleby i towarzyszących zjawisk pochodnych, jednoznacznie negatywnych dla funkcjonowania środowiska, wymagają przygotowania wieloetapowego programu rządowego adresowanego nie tylko do rolników, lecz głównie do agend odpowiedzialnych za ochronę środowiska. Zakres działań jest szeroki i winien obejmować:

Identyfikację przyczyn i skutków zakwaszenia:

- rozpoznanie lokalnych i ponadregionalnych źródeł zakwaszenia;

- ocenę skutków środowiskowych i produkcyjnych;

- ocenę skutków społeczno-ekonomicznych dla regionu;

- ocenę kosztów rewitalizacji gleb.

Wyznaczenie lokalnych i regionalnych stref zagrożenia według stopnia zakwaszenia i negatywnych skutków.

Budowę systemu monitoringu ogólnego i specjalnego (wyznaczenie stref zagrożenia).

Opracowanie i wdrożenie metod rewitalizacji gleb zagrożonych nadmiernym zakwaszeniem i zdegradowanych przez zakwaszenie.

Opracowanie zasad gospodarki przestrzennej na terenach szczególnie wrażliwych na degradację przez zakwaszenie.

Opracowanie struktury dystrybucji kosztów rewitalizacji gleb zdegradowanych między państwem a producentami rolnymi.

Utworzenie programów informacyjnych, edukacyjnych dla rolników i pozostałych użytkowników terenów zagrożonych degradacją.

Artykuł pochodzi z numeru 5/2015 Farmer.