Kluczowe czynniki w kształtowaniu żyzności gleb
Gleba jest jednym z najbardziej skomplikowanych elementów środowiska przyrodniczego, a jej prawidłowe funkcjonowanie stanowi fundament życia człowieka na Ziemi.
Zgodnie z definicją zawartą w Systematyce gleb Polski (2019) gleba to powierzchniowa część litosfery ulegająca prze-obrażeniu przy udziale czynników glebotwórczych oraz mająca zdolność zaopatrywania organizmów żywych w wodę i składniki pokarmowe. To właśnie zdolność gleby do dostarczania roślinom niezbędnych składników odżywczych w odpowiednich proporcjach i ilościach kształtuje jej żyzność, która przekłada się bezpośrednio na bezpieczeństwo żywnościowe ludzkości. Niestety, wielowiekowa działalność człowieka doprowadziła do degradacji gleb, czego skutkiem jest utrata ich naturalnej produktywności. Szacuje się, że obecnie około 25% światowych gleb uległo degradacji (Smith i in., 2024). W przypadku gleb użytkowanych rolnie wśród głównych przyczyn tego zjawiska wymienia się m.in. niewłaściwe nawożenie, intensywną i głęboką uprawę bez uwzględnienia warunków wilgotnościowych, monokultury oraz brak roślinnej okrywy po zbiorach, co sprzyja erozji. W dobie zachodzących zmian klimatu i wzmożonej działalności człowieka, obecne i przyszłe rolnictwo staje przed ogromny wyzwaniem jakim jest utrzymanie zasobów glebowych w dobrej kondycji, co umożliwi spokojne życie przyszłym pokoleniom (Al-Tawaha i in., 2021). W tym miejscu warto przywołać słowa amerykańskiego pisarza, nauczyciela akademickiego, a przede wszystkim rolnika – Wendell’a Barry, który stwierdził „Ziemi nie odziedziczyliśmy po naszych przodkach, lecz wypożyczyliśmy ją od naszych dzieci”. Słowa te doskonale wskazują, że dbałość o glebę to jedyny słuszny kierunek podejmowanych dziś działań, który pozwoli zapewnić globalne bezpieczeństwo żywnościowe.
Żyzność jest istotna w świadczeniu przez glebę rozmaitych funkcji ekosystemowych, w tym przede wszystkim funkcji produkcyjnej w aspekcie jej rolniczego użytkowania. Spośród kluczowych czynników mających bezpośredni wpływ na żyzność gleb, należy wymienić zawartość materii organicznej, skład granulometryczny (uziarnienie), właściwości chemiczne (przede wszystkim pH gleby i zawartość składników pokarmowych) oraz dostępność wody i tlenu. Ponadto występują także czynniki pośrednie które znacząco mogą wpływać na funkcjonowanie środowiska glebowego tj. działalność człowieka, aktywność organizmów glebowych oraz warunki meteorologiczne. W Polsce do najżyźniejszych gleb zalicza się czarnoziemy, czarne ziemie, rędziny czarnoziemne oraz mady czarnoziemne (Rys. 1), odznaczające się dobrze wykształconym, strukturalnym, zasobnym w materię organiczną poziomem powierzchniowym.
Rys. 1. Profile glebowe: A) czarnoziem (fot. C. Kabała); B) czarna ziemia; C) rędzina czarnoziemna; D) mada czarnoziemna (fot. A. Michalski)
Znaczenie materii organicznej i uziarnienia
Analizę wpływu danego czynnika na właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne gleb trzeba zacząć od glebowej materii organicznej, która pomimo tego, że stanowi w glebach mineralnych zaledwie kilka procent (średnio około 3-5%) to w głównym stopniu decyduje o ich prawidłowym funkcjonowaniu. Najważniejszym składnikiem glebowej materii organicznej jest próchnica (tzw. stabilna materia organiczna) będąca efektem procesu humifikacji (Gonet i in., 2015). Próchnica glebowa, stanowiąc około 60-70% całkowitej glebowej materii organicznej (Rys. 2) odpowiada za kształtowanie pojemności kompleksu sorpcyjnego gleby – naturalnego magazynu składników pokarmowych oraz właściwości retencyjnych gleb (zatrzymywanie wody). Ponadto wpływa na strukturę gleby, stanowiąc swego rodzaju spoiwo części mineralnych gleby umożliwiając powstawanie struktury agregatowej. Nieoceniona jest także rola materii organicznej w pośrednim regulowaniu temperatury, poprzez kształtowanie barwy gleby. Ciemne zabarwienie poziomów powierzchniowych gleb (najbardziej zasobnych w materię organiczną), szczególnie w okresie wiosennym sprzyja szybszemu nagrzewaniu się gleby co stymuluje rozwój systemu korzeniowego ozimin oraz wschody roślin jarych.
Rys. 2. Glebowa materia organiczna. (źródło: Lavallee i Cotrufo, 2020)
Nie mniej istotnym czynnikiem jest skład granulometryczny wyrażany poprzez procentowy udział frakcji piasku, pyłu oraz iłu (części ziemiste). Uziarnienie determinują zdolność gleby do wspierania wzrostu roślin poprzez kształtowanie pojemności wodnej – gleby o średnim i ciężkim składzie (gliny i iły), lepiej zatrzymują wodę, co sprzyja roślinom w okresach suszy. Z kolei gleby piaszczyste, charakteryzujące się dominacją grubszych cząstek (2,0-0,05 mm), łatwo przepuszczają wodę, co może prowadzić do szybkiego jej odpływu poza zasięg systemów korzeniowych. Odpowiednie stosunki powietrzno-wodne w glebie wynikają ze stopnia i trwałości agregatów glebowych, które to są efektem interakcji pomiędzy materią organiczną a uziarnieniem gleby. Stopień wytworzenia odpowiedniej struktury warunkuje rozkład porów glebowych, z których kluczowymi są mezopory, odpowiedzialne za magazynowanie wody kapilarnej kształtującej roztwór glebowy (Owczarzak i in., 2015). W poziomach powierzchniowych próchnicznych najbardziej pożądana struktura gruzełkowa (Rys. 3) będzie znacznie łatwiej powstawać w glebach o wyżej procentowej zawartości frakcji ilastej (piaski gliniaste, gliny lekkie, gliny średnie itd.) niż w bardzo lekkich glebach o uziarnieniu piasku słabogliniastego czy luźnego.
Rys. 3. Dobrze wykształcona struktura gruzełkowa, charakteryzująca się średnią trwałością agregatów glebowych.
Właściwości chemiczne a żyzność gleby
Frakcja ilasta stanowiąca podstawę mineralnych koloidów glebowych, obok próchnicy jest głównym składnikiem kompleksu sorpcyjnego gleby. Najbardziej korzystne jest występowanie w jej składzie minerałów ilastych tzw. pęczniejących (m.in. montmorillonit, wermikulit, illit), które posiadają stosunkową dużą pojemność wymiany kationów – od 60 do 170 cmol (+)/kg. Opisywana powyżej próchnica glebowa (koloidy organiczne) posiada pojemność wymiany kationów na poziomie od 200 do 300 cmol (+)/kg (Gonet i in., 2015). Spośród właściwości chemicznych, głównym czynnikiem wpływającym na żyzność gleby jest jej odczyn, wyrażany w wartościach pH. Odpowiedni zakres, sprzyjający pobieraniu składników odżywczych, wynosi od 6,0 do 7,2. Ponadto odczyn wpływa także na pojemność sorpcyjną gleby oraz aktywność i skład gatunkowy organizmów glebowych. Z tego względu bardzo ważnym zabiegiem agrotechnicznym jest regulacja odczynu, poprzez stosowanie nawozów wapniowych lub wapniowo-magnezowych. Chemizm gleby obejmuje także makro-, i mikroskładniki, które pochodzą z minerałów obecnych w jej składzie. Wietrzenie minerałów, zarówno chemiczne, jak i fizyczne, prowadzi do stopniowego uwalniania tych składników do roztworu glebowego, skąd mogą być pobierane przez rośliny. Do makroskładników zaliczamy m.in. azot (N), fosfor (P), potas (K), wapń (Ca), magnez (Mg) i siarkę (S), natomiast wśród mikroskładników wyróżniamy m.in. żelazo (Fe), mangan (Mn), cynk (Zn), miedź (Cu), bor (B) i molibden (Mo).
Adaptacja rolnictwa do zmian klimatycznych
Zmiany obserwowane w ostatnich latach w naszej strefie klimatycznej, m.in. systematyczny wzrost temperatur, nierównomierny rozkład opadów, brak okrywy śniegowej w okresie zimowy, wymuszają podjęcie działań adaptacyjnych, które pomogą w ograniczeniu ich negatywnych skutków dla sektora rolniczego. Działalność rolnicza ukierunkowana na systematyczne dostarczanie świeżej materii organicznej, zrównoważone podejście do zabiegów agrotechnicznych, czy stymulowanie życia biologicznego w glebie, może znacząco przyczynić się do budowania odporności gleb na te zjawi-ska (Żuchowska-Grzywacz, 2024). Poprzez wnoszenia nawozów naturalnych i organicznych, uprawę międzyplonów, pozostawianie resztek pożniwnych i dbałość o chemizm gleby możemy stopniowo, powoli budować zasoby glebowej materii organicznej. Działanie to ma olbrzymie znaczenie dla kształtowania zdolności retencyjnych gleb, a także trwałości agregatów glebowych. Ponadto dostęp do świeżej materii organicznej, to także inwestycja w aktywność biologiczną gleby, która przełoży się na lepsze odżywienie roślin oraz poprawę warunków powietrzno-wodnych w glebie (Li i in., 2024). Dżdżownice (Rys. 4), mieszając materiał glebowy w swoich przewodach pokarmowych produkują bardzo skon-centrowany nawóz w postaci swoich odchodów (koprolity), rocznie na powierzchni 1 ha może to być nawet 5 ton. Inny przykład to pozytywna interakcja pomiędzy rośliną uprawną, a grzybami mykoryzowymi. Grzyby mykoryzowe, dzięki swojej rozległej sieci strzępek, zwiększają powierzchnię chłonną korzeni roślin, tym samym ułatwiają pobieranie trudno dostępnych składników mineralnych. W zamian roślina dostarcza grzybom cukry proste (np. glukozę), które produkuje w procesie fotosyntezy.
Rys. 4. Dżdżownice aneciczne (głęboko penetrujące glebę) na powierzchni agregatu glebowego
Kolejnym kluczowym aspektem zachowania żyzności gleb rolniczych, na którą wpływ ma działalność człowieka jest odpowiednia metoda uprawy (Watson i in., 2002). Konwencjonalna orka, zwłaszcza głęboka, wykonana w złych warunkach wilgotnościowych prowadzi do degradacji struktury gleby, zwiększa erozję oraz przyspiesza mineralizację materii organicznej. Dlatego coraz częściej rekomenduje się uprawę konserwującą, obejmującą np. płytką orkę, uprawę pasową lub siew bezpośredni. Na gruntach długotrwale uprawianych płużnie bardzo często mamy do czynienia z nadmiernym zagęszczeniem gleby, tuż pod poziomem ornym (podeszwa płużna), co prowadzi do zaburzenia fizycznych parametrów gleby oraz utrudnia wzrost korzeniom roślin. W przypadku silnie zagęszczonych gleb konieczne może być mechaniczne spulchnienie, np. poprzez głęboszowanie, natomiast w przypadku słabego lub średniego zagęszczenie pomocne może okazać się włączenie gatunków głęboko korzeniących się (np. rzodkiew oleista, gorczyca biała, łubin) do składu mieszanek międzyplonowych, których rozbudowane systemy korzeniowe skutecznie zwalczą tę barierę, co poprawi możliwość infiltracji wody opadowej do głębszych warstw gleby (Pabin, 2004). Ponadto niektóre gatunki roślin jak chociażby bobik, dzięki rozbudowanemu systemowi korzeniowemu wykazuje działanie strukturotwórcze. Niezwykle istotne jest także stosowanie płodozmianu, który zapobiega jednostronnemu wyczerpywaniu gleby oraz zmniejsza presję patogenów i szkodników.
Ocena stanu gleby i jej diagnostyka
Dobór odpowiedniej praktyki, a także ułożenie strategii odbudowy czy utrzymania żyzności gleb wymaga bardzo szczegółowego poznania aktualnego stanu środowiska glebowego (Johnston i Fellow, 2005). W tym celu niezbędne jest prze-prowadzenie lustracji polowych, mającej na celu identyfikację miejsc najbardziej problematycznych (np. zastoiska wodne, wypadanie roślin, brak wschodów itp.). Następnie konieczne jest pobranie próbek glebowych do badań, co powinno odbywać się zgodnie z przyjętymi metodami zapewniającymi reprezentatywność wyników. Zalecam, aby próbki pobierać z miejsc kontrastujących pod względem plonowania roślin, wówczas możemy łatwo określić cel to jakiego chcemy dążyć. Próbki glebowe zazwyczaj pobieramy z warstwy 0-20 lub 0-30 cm, w zależności od miąższości poziomu próchnicznego, jednak warto (zwłaszcza na gruntach świeżo włączanych w strukturę gospodarstwa) pobrać także materiał glebo-wy z warstw 30-60, a nawet 60-90 cm. Pamiętajmy, że rośliny uprawne nierzadko sięgają nawet poniżej 1 metra, stąd poznanie zasobów składników pokarmowych w głębszych warstwach jest bardzo istotne.
Do pobrania próbek wykorzystuje się laski glebowe, świdry czy próbniki glebowe, które umożliwiają pobranie materiału bez jego nadmiernego zanieczyszczenia. Kluczowe jest, aby próbki były pobierane z kilku miejsc (4-5) w obrębie badanego obszaru (np. 5 m2) i następnie uśrednione, co pozwala na uzyskanie bardziej reprezentatywnych wyników. Można także wykonać kilka płytkich wkopów za pomocą szpadla i pobrać materiał z odsłoniętych fragmentów gleby. Ta metoda pozwoli nam także na dokładne ocenienie miąższości warstwy próchnicznej. W tak pobranym materiale glebowym po-winniśmy zlecić wykonanie kluczowych analiz tj. skład granulometryczny (procentowy udział frakcji piasku, pyłu i iłu); zawartość węgla organicznego i azotu ogólnego; zawartość zasadowych kationów wymiennych (Ca2+, Mg2+, K+, Na+), kwasowość hydrolityczną lub wymienną (w przypadku gleb kwaśnych), pH w wodzie destylowanej i 1M KCl; oraz zawartość przyswajalnych form składników pokarmowych. Otrzymane wyniki pozwolą otrzymać wartości parametrów gleby, kluczowych w kształtowaniu jej żyzności. Ochrona żyzności gleb to kluczowy element zrównoważonego rolnictwa. Zapobieganie degradacji oraz odbudowa zawartości próchnicy są niezbędne nie tylko dla przyszłych pokoleń, ale także dla obecnego systemu produkcji żywności. Inwestowanie w praktyki przyjazne dla gleby, takie jak regulacja odczynu, stosowanie nawozów organicznych i minimalizacja mechanicznej ingerencji, to działania, które pozwolą na zachowanie jej wysokiej jakości i produktywności.
Tekst: dr hab. Bartłomiej Glina, prof. UPP, Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Katedra Gleboznawstwa i Mikrobiologii