Ugrás a tartalomhoz

Agro-ökológia

Dr. Godó Zoltán (2011)

Chapter 10. Anyag -és energiaforgalom a talajban

Chapter 10. Anyag -és energiaforgalom a talajban

A talaj szilárd, folyékony és gáz fázisból álló heterogén rendszer, mely lehetové teszi a növényi-állati és mikrobiális életet a talajban és annak felszínén. A szervetlen és szerves részekbol álló szilárd fázis foként tápanyagtároló. A folyadékfázist jelento talajoldat a tápanyagok szállítója és a fizikokémiai, biológiai átalakulások közege. A gázcsere foként az O2 és N2 beáramlását és a CO2 távozását jelenti. (Mengel, 1976).

Növényi tápelemnek nevezünk minden olyan kémiai elemet, melyek a növényi élethez (növekedéshez, fejlodéshez) szükségesek, és más kémiai elemmel nem helyettesíthetok. A tápelemek nagy részét a talajból képesek felvenni a növények.

Nélkülözhetetlen (esszenciális) elemek:

Biogén elemek: C, H, O, N

Makro elemek: Na, P, K

Mezo elemek: Ca, Mg, S

Mikroelemek: Zn, B, Se, Mg, Mo, Cu, Se, Fe

A talajban lévo tápelemek közül, amelyek nélkülözhetetlenek az élo szervezetek számra, 30-40 elem a geokémiai ciklusban áramlik (a legfontosabbak: C, N, H, O, S, P). A ciklusban részt vesz a lito-, hidro-, és atmoszféra. A körfolyamat végbemehet az élettelen környezettol az élo szervezet irányába, de fordított irányban is megvalósul. Másik mód a kémiai kötések felbontása során felszabaduló elemek szervezetekbe való beépülése. Ennek a folyamatnak az ellentéte is érvényes. Azt az irányt, amikor a tápanyagok a növények számára felvehetové válnak, mobilizációs folyamatnak nevezzük (pl.: mállás, oldódás, humifikáció). Amikor a felveheto elemek a növények számára felvehetetlenné válnak, az immobilizáció jelensége (pl.: kémiai kötések jönnek létre elemek között, biológiai felhalmozódás). Az anyag mennyisége egyes szinteken változhat, de az összmennyiség állandó, ez a tápanyag toke. Az anyagforgalommal együtt járó jelenség az energiaáramlás. A nagyobbik hányada az energiának a szervezet élettevékenységének energiaszükségletét fedezi, ami az anyagcsere folyamatok során 90%-ban hové alakul át. Fontos, hogy az energiaáramlás nem körfolyamat, hanem egy irányú.

A talajban az elemek mennyisége változhat a körfolyamat során. Csökken a tápanyagfelvétel, kimosódás, denitrifikáció, erózió, defláció által. A vesztesség pótolható tápanyag utánpótlással, trágyázással, mikroszervezetek N-kötése során, a csapadékkal a talajba jutó vagy a talajvízbol kapilláris emeléssel feljutó tápanyaggal.

10.1 A szén körforgása

A földön szén alapú élet alakult ki, az élolények molekuláinak jelentos része szénvegyület. Ennek okai:

  • A szén a legegyszerubb olyan atom, ami négy kovalens kötés kialakítására képes. Stabil és semleges molekulák jönnek létre.

  • A négy másik atom tetraéderesen helyezkedik el, ennek következtében nagyon stabilak, ellenállók a vegyületei.

  • Korlátlan számban tudnak összekapcsolódni a szén alapú vegyületek. Változatos nyílt láncú és gyurus molekulák. Képesek egyszeres, kétszeres, háromszoros kötések kialakítására, úgy hogy a stabilitás változatlan marad.

Minden élolénynek a földön szüksége van a szénre. Vagy a felépítéséhez vagy energiaforrásként, vagy mindkét okból.

A szén földünkön különbözo rétegeiben van jelen és raktározódik. Megtalálható a bioszférában szerves molekulák formájában, ami származhat élo vagy már elpusztult szervezetekbol. Gázként (CO2) az atmoszférában. Szerves elemekként a talajban, és a litoszférában, mint fosszilis energiahordozók vagy üledékes kozetekben (pl.: mészko, dolomit). A hidroszférában a légkörbol oldott CO2 (H2O + CO2 ? H2CO3) vagy a CaCO3 formájában a tengeri élolények vázalkotójaként.

10.1.1 Geológiai ciklus

A szén ciklus geológiai összetevoje az, ahol kölcsönhatásba lép a „szikla ciklus” folyamataival: a mállás, kioldás, ásványi anyagok kioldása, betemetodés, szubdukció, vulkanizmus jelenségeivel. A légkörben a víz és a szén-dioxid reakciójából létrejövo szénsav enyhe savas kémhatásából adódóan, reakcióba lép a föld felszínével és ennek ásványi anyag tartalmával, amikor eso formájában eléri a felszínt. Kémiai mállás folyamata során lassan kioldja az ásványokat alkotó ionokat. Ezek az ionok a felszíni vizekbe kerülnek, patakok, folyók és végül az óceánokba, ásványok formájában kiválnak, például mint a kalcit (CaCO3). További lerakódás és betemetodés során a kalcit átformálódik kozetté, amit mészkonek hívnak. A tengerfenéken lerakódott szén, egyre mélyebbre nyomódik a piroszféra irányába a tektonikus eroknek köszönhetoen. A mélyben felmelegszik, majd megolvad és felemelkedik a felszínre, ahol szén-dioxid formájában felszabadul és visszajut az atmoszférába. A visszatérés módja lehet heves vulkán kitörés, vagy lassú szivárgás, illetve széndioxidban gazdag források. Tektonikus erok is kiemelhetik a már korábban eltemetett mészkoréteget. A mállás, a szubdukció és a vulkanizáció jelensége évmilliók óta periódusosan szabályozzák az atmoszféra CO2 koncentrációját. Ezáltal pedig az ökológiai körforgásban jelenlévo széntömeget.

10.1.2 Biológiai szén körforgás

A biológia nagy szerepet tölt be a szén mozgatásában a szárazföld, az óceánok és a légkör között, a légzés és a fotoszintetizáció folyamatával. Gyakorlatilag az összes többsejtu élolény függ, a fotoszintézis során széndioxidból a napsugárzás energiájával eloállított cukortól. Amit a szervezetek a lebontó metabolikus folyamatok (katabolizmus) során nyernek ki és használnak fel az életszükségleteikhez és a biológiai reprodukciójukhoz. A növények a fotoszintézishez szükséges CO2-t a légkörbol veszik fel, míg a heterotróf szervezetek a légzés során széndioxidot bocsájtanak ki az atmoszférába.

Légzés:

C6H12O6 + 6O2 ? 6CO2 + 6H2O + Energia

Fotoszintézis:

6H2O + 6CO2 ? napfény energiája ? C6H12O6 + 6O2

A szénhidrátokban tárolt energia a kémiai kötések bontásával szabadul fel, oxidációs folyamatok során. Így, a felvett O2-bol CO2 redukálódik, ami kilégzéssel jut vissza a légkörbe. Az élo szervezetek évente ezerszer több szenet mozgatnak meg ilyen formán, mint a geológiai ciklus.

A növények növekedési idoszakában, napközben a levélzet abszorbeálja a nap energiáját (fotonokat) és a légkörbol felveszi a széndioxidot. Ugyanekkor, a növények, állatok és a talajban élo mikrobák felhasználják a szenet szerves alakban és szén-dioxidot juttatnak vissza. A fotoszintézis este nem megy végbe, mert a nap nem tudja biztosítani a folyamathoz szükséges energiát, ugyanakkor a légzés mechanizmusa folytatódik ekkor is. Ez az egyenlotlenség a két folyamat között, tükrözi a szén-dioxid koncentráció váltakozását a napszakok függvényében. A földgömb északi féltekén, télen a fotoszintézis szünetel, mivel sok növény lehullajtja a levélzetét, de az élo szervezetek légzése nem áll le. Ez vezet oda, hogy a téli idoszakban a légkör CO2 tartalma megnövekszik. A tavasz beköszöntével a fotoszintézis folyamata újra beindul és a széndioxid tartalom csökkenni kezd. Ezt a körfolyamatot az évszakok váltakozása eredményezi.

10.1.3 Az óceánok szén tartalma

A szén-dioxid diffúzióval kerül az óceánok vízébe. Az oldott CO2 eredeti formájában megmarad vagy átalakulhat karbonát ionná (CO3-2) vagy bikarbonát ionná (HCO3-). Amikor a szén-dioxid belép a vízbe szénsav is keletkezik:

CO2+H2O <=> H2CO3

Ez a folyamat oda-vissza lejátszódik, így beállítva a kémiai egyensúlyt. Egy másik, igen fontos folyamat az óceánok pH szintjének szabályozásában, a hidrogén ion és a bikarbonát ion felszabadulása. Ez a reakció nagyban befolyásolja a pH szintet:

H2CO3 <=> H+ + HCO3-

A tengeri élolények bizonyos típusai biológiailag fix bikarbonátból és kalcium ionból képesek kalcium-karbonátot (CaCO3) termelni. Ezt az összetevot a váz és egyéb testrészek szintézisére fordítják. Ilyen élolények például a korallok, kagylók, csigák és néhány alga faj. Amikor ezek az élolények elpusztulnak, a vázuk és testrészeik az óceán mélyére süllyednek, ahol raktározódnak, felgyülemlenek szénben gazdag üledékként. Hosszú ido elteltével ezek az üledékek fizikailag és kémiailag megváltoznak, részben a nagy nyomás hatására üledékes kozetek képzodnek. Az óceánok üledékei messze a legnagyobb széntározók a földön.

10.1.4 Szén a talajban

A szén körforgásában a talaj egyben szénforrás és felhasználó is. Kémiai és biológiai reakciókban jelentos szerepe van. A növények a szárazföldrol és a légkörbol 110x1012 kg szenet vesznek fel CO2 formájában. Körülbelül ugyanennyi szén keletkezik, amelybol 50x1012 kg kerül vissza az élolények légzése során a légkörbe, ami a keletkezett mennyiségnek majdnem a fele. A maradék 60x1012 kg az elhalt növények szerves anyagának mikrobiális lebontása során keletkezik. A lebontást, a talajban és a talaj felszínén élo mikro- és makroszkopikus élolények jelentosen befolyásolják. A földfelszín és az atmoszféra között körülbelül a szénmennyiségnek 15%-a cserélodik ki évente.

A humifikáció a legfontosabb szintetizáló reakciók összessége. A könnyen bontható szerves anyagok mineralizálódnak, míg a nehezebben bontható anyagok polimerizálódnak és N-tartalmú vegyületekkel kapcsolódva nagy molekula méretu, sötét színu stabil anyagokat hoznak létre, ezek a humuszanyagok. A talajba a szén a növényi maradványok révén kerül be, amelyek szén tartalmát az elozoleges megkötés biztosítja. A talajba került növényi maradványok lebontása több tényezotol függ (talaj adottságai, növény milyensége, talajban lakó lebontó szervezetek csoportjai, klíma), így akár évszázadokig is megmaradhatnak a szerves anyagok. A talaj és a klimatikus adottságok meghatározzák a talajra jellemzo nedvességtartalmat, homérsékletet, kémhatást, levegozöttségét valamint a felveheto tápanyagok mennyiségét és milyenségét. A növény típusát a méretével, a korával, lignintartalmával és a C/N arányával jellemezhetjük.

10.1.5 A szén mineralizációja

A szerves kötésu szén szén-dioxiddá történo oxidálását jelenti. A növényi maradványoknak a széntartalma, amik a talajba kerültek, biológiai folyamatok során (disszimiláció vagy katabolizmus, biológiai oxidáció, erjedés) lebomlanak és CO2 formájában kerülnek vissza a szén körforgásba. A talajlégzést foként a mikrobiológiai folyamatok eredményezik, de részt vesznek benne a talajban lakó élolények is a légcserefolyamataikkal, melynek eredménye képen CO2-t bocsájtanak ki.

A cellulóz a legnagyobb mennyiségben keletkezo szén alapú szerves anyag. A szén mineralizációjának az alapja. A cellulózt glükózanhidridek építik fel, amik összekapcsolódnak és poliszacharidot képeznek. A cellulóz igen jól ellenáll mind a savaknak, mind a lúgoknak. A lebontást erre specializálódott mikroorganizmusok végzik, amik képesek úgynevezett celluláz enzimet termelni, ami a bontást végzi. Eloször a kötéseket bontva hidrolizálódik majd glükóz keletkezik belole.

(C6H10O5)n + nH2O = n C6H12O6

A lebontás lejátszódhat anaerob vagy aerob körülmények között. Baktériumok, sugárgombák és mikroszkopikus gombák végzik el.

Aerob cellulózbontók:

• Legnagyobb részben anaerob pálcikák (Clostridium)
• Termofil csoport, 60-65 oC-on tenyészthetok (Clostridium thermocellum)
• Mezofil csoport, 30-35 oC-on tenyészthetok (Clostridium omelianskii)
• Gram pozitív baktériumok, vajsavat, ecetsavat, etilalkoholt és gázokat termelnek

Anaerob cellulózbontók:

• Sporocytophaga fajok
• Bacillus, Cellulomonas, Nocardia, Pseudomonas, Streptomyces fajok
• Cellvibrio, Cellfalcicula nemzetség tagjai
• Kevésbé savas közegben az Actinomiceták és a Cytophaga nemzetség tagjai bontják

10.1.6 Az atmoszférikus széndioxid felhalmozódása

A légkör széndioxid koncentrációjának mérésére 1957-ben tett javaslatot Charles David Keeling óceánográfus, a Scripps Oceanográfiai Intézet kutatója. Ez a leghosszabb folyamatos CO2 koncentráció nyilvántartás. Azóta folyamatos adatokkal rendelkezünk, amelyek ijeszto tendenciát mutatnak. A dokumentációt a Mauna Loa obszervatóriumban végzi Hawaii-szigetén. Az adatai (most már ?Keeling görbeként? ismerik) kimutatták, hogy az emberi tevékenységek jelentos mértékben megváltoztatják a természetes szén-ciklust. Az ipari forradalom kezdete óta, körülbelül 150 éve, az emberi tevékenységek, mint a fosszilis energiahordozók elégetése és az erdoirtás, mind felgyorsultak és hozzájárultak ahhoz, hogy hosszú távon növekedjen a légkör széndioxid koncentrációja. Az olaj és a szén elégetése által szén szabadul ki az atmoszférába, sokkal gyorsabban, mint ahogy eltávolítható onnan. Ez az egyenlotlenség okozza a légköri széndioxid taralom növekedését. Továbbá, az erdok irtásával csökkentjük a fotoszintézis lehetoségét, amelynek során a növények meg tudnák kötni a légkör CO2 tartalmát, így további koncentrációemelkedést eredményez. Az ember ténykedéseinek révén a légkör CO2 tartalma ma már magasabb, mint az elmúlt félmillió évben volt.

Figure 10.1. A "Keeling görbe" a légköri CO2 -koncentráció hosszú távú mérésének eredménye Mauna Loa Obszervatórium (Keeling et al.)

10-1. ábra. A "Keeling görbe" a légköri CO2 -koncentráció hosszú távú mérésének eredménye Mauna Loa Obszervatórium (Keeling et al.)


Az éven belüli rezgések természetes, szezonális ingadozás következményei. A hosszú távú vizsgálat azonban folyamatos emelkedo tendenciát mutat. Az elmúlt 400.000 évben nem volt még ilyen magas az atmoszféra széndioxid koncentrációja és a megfelelo szintre történo csökkenésre is tízezer éveket kellene várnunk, feltéve ha az ipari szennyezést azonnal beszüntetnénk. A jelenség globális ökológiai katasztrófához fog vezetni!

Mivel a CO2 növeli a légkör azon képességét, hogy megtartsa a hot, ezért üvegházhatású gáznak nevezik. A kutatók úgy vélik, hogy a megnövekedett CO2 már jelentos változásokat okoz a globális klímában. Az elmúlt században megfigyelt 0,6 oC-os átlagos globális homérséklet növekedés foként a szén-dioxid koncentráció növekedésének tudható be. Lényegi változtatások nélkül a fosszilis energiahordozók felhasználásában és az erdoirtások mértékében, a felmelegedési tendencia valószínuleg folytatódni fog. A legjobb tudományos becslések szerint a Föld átlaghomérséklete 1,4-5,8 oC-kal fog növekedni az elkövetkezendo században, a szén-dioxid és egyéb üvegházhatású gázoknak köszönhetoen (metán, dinitrogén-oxid, fluorozott szénhidrogének). Ez a fajta homérséklet növekedés a tengerek vízszintjének jelentos növekedését okozhatja (0,09-0,88 m), kitéve ezzel a mélyebben fekvo part menti városokat és az árapály folyók mentén található településeket az elöntés veszélyének (Velence, New Orleans, Washington). A sarkköri jégsapkák olvadása és a fajok kiterjedésének eltolódása is a globális felmelegedés eredménye.

Bizonyíték a globális felmelegedésre :}

A klímaváltozás nélkül azonban, a megnövekedett CO2 koncentráció, jelentos hatással lenne a növények növekedésére világszerte. Bizonyos fajok kedvezobben reagálnak a megemelkedett szén-dioxid tartalomra, mint mások. Egyes kutatók szerint kifejezett változást láthatnánk a növényfajokon, a homérséklet változása nélkül. Például a megemelkedett szén-dioxid tartalmat a bokrok jobban képesek tolerálni, mint bizonyos fufélék. Ez az eltérés, abból adódik, hogy a fotoszintézisük lefolyása kissé különbözo (C3 és C4 –es növények). Ezért a füves területekre betörnének a szén-dioxidra érzékenyebb fajok vagy a cserje fajok.

Vajon a közelmúltban megfigyelt változások a globális szén-ciklusban új jelenségek vagy már megtörtént geológiai történések? A kutatók jelentos energiát fordítanak arra, hogy módszereket fejlesszenek ki, azért hogy megértsék, megismerjék a Föld légkörének és klímájának a múltját. Ezen technikák közé tartozik a jégbe zárt buborékok, fa gyuruk és tavak, óceánok fenekén felgyülemlett üledékek vizsgálata. Együtt ezek a technikák arra utalnak, hogy az elmúlt 20 millió évben a Föld klímája a viszonylag meleg és hideg között ingadozik. Ezek az interglaciáis (jégkorszakok közötti) és glaciális (jégkorszak) idoszakok. Az interglaciális idoszak során az atmoszféra CO2 koncentrációja viszonylag magas, míg a glaciális idoszakban viszonylag alacsony. Jelenleg egy meleg interglaciális szakaszban vagyunk, és az emberi tevékenység még jobban fokozza a szén-dioxid mennyiséget a légkörben, ahhoz képest, mint amilyen volt több százezer éven keresztül.

A légköri CO2 feldúsulásának megértése és a negatív hatásainak mérséklése szempontjából a legnagyobb kihívást az jelenti, hogy szembe kell nézni a gazdasági élet óriásaival és a politikai döntéshozókkal. Annak érdekében, hogy ezeket a kérdéseket kello súllyal képviselni tudja, a tudományos közösség létrehozta az Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) szervezetet. Ez egy nemzetközi, interdiszciplinális konzorcium, ahol több ezer klímaváltozási szakérto együttmuködésével készítenek jelentést az klímaváltozásról. Sok ország megállapodott abban, hogy csatlakozik a Kiotói Szerzodéshez, amely egy többoldalú egyezmény arról, hogy az ember által eloidézett éghajlat változás negatív hatását mérsékelni kell. Az Egyesül Államok, amely jelenleg felelos a szén-dioxid kibocsájtás mintegy egy negyed részéért, eddig elutasította, hogy részt vegyen a Kiotói Egyezményben.