Οξύτητα

Η οξύτητα των εδαφών εκφράζεται από την τιμή του pH που ορίζεται ως ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της ενεργού συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου [H⁺] στο εδαφικό διάλυμα. Η σπουδαιότερη επίδραση του εδαφικού pH στη γεωργική παραγωγή σχετίζεται με τη διαθεσιμότητα των θρεπτικών στοιχείων για την ανάπτυξη των φυτών. Η γνώση του pH επιτρέπει να καλλιεργείται το κατάλληλο φυτό στο αντίστοιχο έδαφος. Ανάλογα με τις τιμές του, τα διάφορα θρεπτικά στοιχεία βρίσκονται σε μορφές περισσότερο ή λιγότερο διαθέσιμες προς τα φυτά. Σε όξινα εδάφη με pH < 5.5 δημιουργούνται συνθήκες απαγορευτικές για την ανάπτυξη των ανώτερων φυτών λόγω αυξημένης συγκέντρωσης ιόντων αργιλίου, αποτελώντας τοξικό παράγοντα για τις ρίζες. Επίσης ο P μεταπίπτει σε μορφές μη αφομοιώσιμες από τα φυτά και παρατηρείται μεγάλη έλλειψη βάσεων κυρίως Ca και Mg. Μέση επιδιωκόμενη τιμή pH για την πιο ικανοποιητική ανάπτυξη των φυτών είναι 6-7.2. Τα ιόντα H⁺ και Al³⁺ είναι υπεύθυνα για την οξύτητα των εδαφών [Πίνακας 1].

Πίνακας 1. Ταξινόμηση εδαφών σε σχέση με το pH.

Αλκαλικότητα

Με τη συγκέντρωση των υδροξυλίων μετριέται η αλκαλικότητα καθώς είναι ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της ενεργού συγκέντρωσης υδροξυλίων [OH^-] στο εδαφικό διάλυμα. Σε αλκαλικά εδάφη pH > 7.5 απαραίτητα μέταλλα για τη θρέψη των φυτών είναι τα Cu, Fe και Zn υπό μορφή μικρής αφομοιωτικής ικανότητας. Αλκαλικά εδάφη συνήθως συναντώνται σε ξηρές περιοχές και η αλκαλικότητα καθίσταται περισσότερο οξύ πρόβλημα όταν συνδέεται με την αλατότητα και την παρουσία Na. Η υψηλή συγκέντρωση CaCO₃, MgCO₃ ή Na₂CO₃, η αποδόμηση της οργανικής ουσίας με περίσσεια απελευθέρωσης αμμωνιακών ιόντων (αμμωνιοποίηση) και οι εφαρμογές αλκαλικών λιπασμάτων είναι παράγοντες μεταβολής του pH αυξάνοντας την αλκαλικότητα.

Οι ρίζες των φυτών με την αναπνοή τους καθώς και οι αερόβιοι μικροοργανισμοί με την παραγωγή CO₂ προκαλούν τις παρακάτω αντιδράσεις οι οποίες καταναλώνουν τα υδροξύλια και φρενάρουν την αύξηση του pH:

OH^- + CO₂ à HCO₃^- και 2OH^- + CO₂ à CO₃^2- + H₂O

Αλατότητα

Ένα έδαφος χαρακτηρίζεται ως αλατούχο, αν η ηλεκτρική αγωγιμότητα του εκχυλίσματος κορεσμού (E.C_se) υπερβαίνει τα 4 dS / m [Πίνακας 2]. Τα αλατούχα εδάφη παρουσιάζουν υψηλή συγκέντρωση αλάτων Na με αυξημένη πιθανότητα παραγωγής αλκαλικότητας. Το ποσοστό ανταλλάξιμου Na (E.S.P.) είναι < 15% ενώ η διαμόρφωση του pH οφείλεται στην υδρόλυση των αλάτων. Όταν τα άλατα προέρχονται από αντιδράσεις ισχυρών οξέων με ισχυρών βάσεων (θειικά, χλωριούχα, νιτρικού ασβεστίου, νατρίου, μαγνησίου) και υπερτερούν, τότε το pH του εδαφικού διαλύματος δεν υπερβαίνει τιμές > 8,5. Όταν υπερτερούν τα ασθενή οξέα τότε το pH λαμβάνει τιμές από 8,5-10. Σε αλατούχα εδάφη τα ιόντα που απαντώνται είναι:

Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, CO₃^2-, OH^- και H₃O⁺.

Πίνακας 2. Χαρακτηρισμός αλατούχου εδάφους.

Οργανική ουσία

Η οργανική ουσία του εδάφους αποτελείται από μια μεγάλη ποικιλία οργανικών ουσιών περιλαμβάνοντας ζώντες οργανισμούς και οργανικές ενώσεις παραγόμενες από μεταβολικές διεργασίες. Τα υπολείμματα φυτών, ζώων και μικροοργανισμών αποτελούν την πρώτη ύλη οργανικής ουσίας και αποικοδομούνται συνεχώς στο έδαφος. Τα υπολείμματα αυτά, όταν υπάρχει αρκετή υγρασία, αερισμός και θερμοκρασία στο έδαφος, προσβάλλονται από διάφορους μικροοργανισμούς με αποτέλεσμα να αλλοιωθούν ή να διασπαστούν. Με την πάροδο του χρόνου, η οργανική ουσία χάνεται από το έδαφος με μορφή CO₂ καθώς παράγεται κατά τη μικροβιακή αναπνοή, ενώ ταυτόχρονα ελευθερώνονται στοιχεία (N, P, S) σε μορφές που απαιτούν τα φυτά. Σε σχέση με τα στρώματα του εδάφους, η περιεκτικότητά της μειώνεται από τα ανώτερα στα κατώτερα.

Ένα έδαφος θεωρείται ότι είναι επαρκώς εφοδιασμένο σε οργανική ουσία όταν η περιεκτικότητά του βρίσκεται μεταξύ 2-3% [Πίνακας 3]. Τα εδάφη της Βόρειας και Δυτικής Ευρώπης έχουν 3-4% οργανική ουσία. Τα καλλιεργούμενα ελληνικά εδάφη περιέχουν 1-2,5% ενώ για τα θερμοκήπια η επάρκεια του εδάφους είναι 5-8%. Στα εύκρατα κλίματα η οργανική ουσία κυμαίνεται από 0,4-10%. Συνιστά ένα δυναμικό χημικό σύστημα παραγωγής θρεπτικών συστατικών για τα φυτά επειδή το 95% του εδαφικού N, το 40% του εδαφικού P και το 90% του εδαφικού S είναι συνδεδεμένα με τα οργανικά κλάσματα του εδάφους.

Πίνακας 3. Ταξινόμηση εδαφών με βάση το ποσοστό οργανικής ουσίας.

Χούμος

Τα προϊόντα που προέρχονται από τις διεργασίες αποδόμησης της οργανικής ουσίας συνεχίζουν να διασπώνται ή να αλλοιώνονται και συγχρόνως να συνθέτουν καινούργιες οργανικές ενώσεις μέχρι να φτάσουν σε ένα τελικό και ανθεκτικό προϊόν, τον χούμο. Σύμφωνα με την υπερμοριακή άποψη της διαμόρφωσης των χουμικών ουσιών, τα χουμικά μόρια, αντί να είναι ομοιοπολικά αλληλένδετα, συνδέονται τυχαία από αδύναμες δυνάμεις διασποράς όπως Vander Waals, π-π και CH-π, που μπορεί να είναι εύκολα διαταραγμένες από την αλληλεπίδραση με φυσικά οργανικά οξέα ή από εκχύλιση δισθενών μετάλλων με ισχυρούς χηλικούς παράγοντες.

Τα ιδιαίτερης πολυπλοκότητας μόρια του χούμου περιέχουν χημικές δομές που του επιτρέπουν να απορροφά σχεδόν όλο το φάσμα του ορατού φωτός προσδίδοντάς του χρώμα σκούρου καφέ ή μαύρο. Επειδή οι επιφάνειες του χούμου φέρουν ηλεκτρικά φορτία, λειτουργούν ως συνδετικές γέφυρες μεταξύ μεγαλύτερων εδαφικών τεμαχιδίων. Τα επιφανειακά φορτία του χούμου έλκουν και συγκρατούν ιόντα θρεπτικών στοιχείων και μόρια νερού. Έτσι, κατιόντα αλλά και ανιόντα έλκονται και προσροφώνται από τα κολλοειδή του χούμου.

Το αρνητικό φορτίο το χούμου οφείλεται στις ενεργές ομάδες των συστατικών του, οι οποίες υπερτερούν των θετικών και σε κατάλληλο pH υφίστανται διάσταση με απόσπαση ενός ιόντος H⁺. Η απόσπαση ιόντων H⁺ συνεπάγεται απελευθέρωση αρνητικού φορτίου η οποία πραγματοποιείται σε μεγαλύτερο βαθμό με την αύξηση του pH, καθιστώντας τον χούμο εξ’ ολοκλήρου εξαρτώμενο από το pH.

Οι ενεργές ομάδες του είναι οι αλκοολικές (-ΟΗ), αμινικές (-ΝΗ₂), μεθοξυλικές
(-ΟCH₃), φαινολικά υδροξύλια (-ΟΗ), καρβοξυλικές (-COOH), με τις δύο τελευταίες να έχουν τη μεγαλύτερη συμμετοχή του αρνητικού φορτίου με ποσοστό 85-90%. Η παρουσία κολλοειδούς αργίλου ευνοεί τον πολύπλοκο πολυμερισμό. Αυτές οι ακαθόριστες, πολύπλοκες, ανθεκτικές ενώσεις ονομάζονται χουμικές ουσίες.

Οι χουμικές ουσίες διακρίνονται σε τρεις χημικές ομάδες βάση της διαλυτότητάς τους:

1. Φουλβικά οξέα:

Μικρού μοριακού βάρους και ανοιχτού χρώματος, διαλυτά σε οξύ και αλκάλια, ευπαθή στη μικροβιακή δράση. Χρώμα ανοιχτό κίτρινο έως καφέ.

2. Χουμικά οξέα:

Μέσου μοριακού βάρους, διαλυτά σε αλκάλια αλλά όχι σε οξύ, με μέση σχετικά αντίσταση στην αποδόμηση. Περιέχουν 50-80% C και 2-8% Ν. Χρώμα σκούρο καστανό έως μαύρο.

3. Χουμίνες:

Μεγάλου μοριακού βάρους και σκούρου χρώματος, αδιάλυτες σε οξύ και αλκάλια, ανθεκτικές στη μικροβιακή δράση. Αντιπροσωπεύουν το 20% περίπου του ολικού χούμου.

Οι μη χουμικές ουσίες είναι ομάδα ταυτοποιήσιμων βιομορίων που παράγονται πρωτίστως από τη μικροβιακή δράση και είναι λιγότερο ανθεκτικές στη διάσπαση, αποτελώντας το 20-30% του χούμου. Το κλάσμα μη χουμικών αποτελείται ουσιαστικά από υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λίπη, κηρούς και μπορεί να υποβληθεί σε μια σχετικά γρήγορη ανοργανοποίηση και μετατρέπεται σε ατμοσφαιρικό CO₂. Το υπόλοιπο μέρος υφίσταται βραδύτερη διαδικασία οξείδωσης και μετά από σύνθετους μετασχηματισμούς, είτε γυρίζει σε μικροβιακή βιομάζα ή σταθεροποιείται με τη μορφή χουμικών ουσιών που συνιστούν το μεγαλύτερο μέρος του εδαφικού οργανικού υλικού.

Η ανάπτυξη χημικών δεσμών μεταξύ χουμικών υλικών και αργίλου παράγει υλικό ανθεκτικό στην προσβολή από τους μικροοργανισμούς με αποτέλεσμα τα χουμικά υλικά να έχουν μεγάλο βαθμό σταθερότητας έναντι της βιολογικής αποδόμησης. Ο ανόργανος άνθρακας στο έδαφος εμφανίζεται σε μεγάλο βαθμό σε ανθρακικά άλατα, όπως ανθρακικό ασβέστιο (CaCΟ₃) και δολομίτη (MgCΟ₃). Ορισμένοι τύποι εδάφους, ιδιαίτερα οι όξινοι και έντονα διαβρωμένοι, δεν περιέχουν αξιόλογες ποσότητες ανόργανου άνθρακα επειδή τα ανθρακικά άλατα που υπήρχαν αρχικά στο γονικό υλικό έχουν διαλυθεί από το όξινο ανθρακικό ασβέστιο, με αποτέλεσμα να καθίστανται απρόσβλητα τα οργανικά υλικά από τους μικροοργανισμούς.

Οι μεγάλες συγκεντρώσεις ανθρακικών αλάτων είναι κοινές στο έδαφος των ξηρών περιοχών, καθώς και στο έδαφος που σχηματίζεται πάνω από τα ασβεστολιθικά γονικά υλικά. Το ενεργό ασβέστιο του εδάφους αποτελεί ουσιαστικό παράγοντα σταθεροποίησης. Έτσι το ανθρακικό ασβέστιο γίνεται συντελεστής προστασίας χουμικών υλικών από την βιολογική αποδόμηση. Συγκριτικά, το ανθρακικό ασβέστιο έναντι της αργίλου και των ορυκτών του εδάφους, παρέχει ισχυρότερη προστατευτική δράση προς τη βιολογική αποδόμηση, λόγω της μεγάλης χημικής δραστικότητάς του. Αποτελεσματικοί δεσμοί παρατηρούνται μεταξύ χουμικών ουσιών και μοντμοριλλονίτη, μέσω των Ca²⁺, Fe²⁺ και Al³⁺, τα οποία λειτουργούν και ως γέφυρες σύζευξης με άλλα ανιόντα. Το χουμικό υλικό λειτουργεί ως ανιόν και όσο μικρό ΜΒ (μοριακό βάρος) έχει, τόσο μεγαλύτερη η κινητικότητά του (διαλυτότητα). Η σύζευξη με τα μεταλλικά κατιόντα μειώνει την κινητικότητά του και κατά συνέπεια τη σταθερότητά του στη βιολογική αποδόμηση.

Βιβλιογραφία

Batjes N. H., 1996, Total carbon and nitrogen in the soils of the world, European Journal of Soil Science, 47: 151 – 163.

Bohn, H. L., McNeal, B. L., & O’Connor, G. A., 2001, Soil Chemistry, 3rd ed. John Wiley & Sons, New York.

Brady Nyle C. and Weil Ray. R., 2011, Η φύση και οι ιδιότητες των εδαφών, 14 ed., Εκδόσεις Έμβριο, Αθήνα.

Brady Nyle C. & Weil Ray R., 2016, The nature and properties of soils 15 ed. Columbus: Pearson.

Buol S. W., Southard R. J., Gragam R.C., McDaniel P.A., 2011, Soil Genesis and Classification 6nd ed. John Wiley & Sons.

Chouliaras N., Vedy J.C. et Jacquin F., 1975. Fractionnement et caracterisation de la matiere organique dans les renzines. Bull. ENSAIA, tome XVIII.

Coleman D. C., Callaham Mac M., Crossley D. A. Jr., 2017, Fundamentals of Soil Ecology 3rd ed., (London: Elsevier Academic Press).

Dixon Joe B. and Schulze Darrell G, 2002, Soil mineralogy with environmental applications, Published by: Soil Science Society of America.

Duchaufour Ph, 1972, Processus de Formation des Sols, C.R.D.P.

McBride, M.B., 1994, Environmental chemistry of soils. Oxford University Press, New York.

Paul E. A. (ed.), 2007, Soil Microbiology, Ecology, and Biochemistry 3rd ed., (Elsevier Academic Press).

Piccolo, A., 2001, The supramolecular structure of humic substances. Soil Sci., 166: 810–832.

Piccolo, A., 2002, The supramolecular structure of humic substances. A novel understanding of humus chemistry and implications in soil science. Adv. Agron., 75: 57–134.

Piccolo, A., 2003, Spiteller, M. Electrospray ionization mass spectrometry of terrestrial humic substances and their size fractions. Anal.and Bioanal. Chem., 377: 1047-1059.

Sposito G. 1989 The chemistry of soils, 2nd ed. Oxford University press. N.Y.

Stevenson, F. J.and Cole, M. A., Cycles of Soils, 2nd ed.; John Wiley and Sons: New York, 1999.

Sylvia D. M., Fuhrmann J. J., Hartel P. G. and Zuberer D. A., 2005, Principles and Applications of Soil Microbiology (Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall)

Tate R. L. III, 2001, Soil Microbiology 2nd ed., John Wiley & Sons, New York.

Tipping E. 2005, Modelling Al competition for heavy metal binding by dissolved organic matter in soil and surface waters of acid and neutral pH, Geoderma, 127: 293-304.

Wardle D. A., 2002, Communities and Ecosystems: Linking the Aboveground and Belowground Components, New Jersey: Princeton University Press.

Χουλιαράς Νικόλαoς, 2009, Έδαφος και μέθοδοι μελέτης, Εκδόσεις “ΙΩΝ” Στέλλα Παρίκου & ΣΙΑ Ο.Ε., Αθήνα.

Χουλιαράς Νικόλαος, 2009, Λίπανση καλλιεργειών και μέθοδοι προσδιορισμου, Εκδόσεις “ΙΩΝ” Στέλλα Παρίκου & ΣΙΑ Ο.Ε., Αθήνα.

Σινάνης Κωνσταντίνος, 2008, Εδαφολογία, Ηράκλειο.